Simuleringar av tidsresor skickar kvantmetrologi tillbaka till framtiden – Physics World

Simuleringar av tidsresor skickar kvantmetrologi tillbaka till framtiden – Physics World

Tidsstämpel: 12 januari 2024 11:00

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/simulations-of-time-travel-send-quantum-metrology-back-to-the-future-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/simulations-of-time-travel-send-quantum-metrology-back-to-the-future-physics-world-2.jpg" data-caption="Var är min DeLorean? Tidsresor bakåt är fortfarande i science fiction-sfären, men att manipulera kvantförveckling gör det möjligt för forskare att designa experiment som simulerar det. (Med tillstånd: Shutterstock/FlashMovie)”> Konstnärens bild som visar romerska siffror som du skulle se på en urtavla spiral upp i fjärran mot en stjärnklar bakgrund
Var är min DeLorean? Tidsresor bakåt är fortfarande i science fiction-sfären, men att manipulera kvantintrassling gör det möjligt för forskare att designa experiment som simulerar det. (Med tillstånd: Shutterstock/FlashMovie)

Har du någonsin önskat att du kunde gå tillbaka i tiden och ändra dina beslut? Om bara kunskap från idag kunde resa tillbaka i tiden med oss, kunde vi ändra våra handlingar till vår fördel. För nu är sådana tidsresor fiktionens grejer, men en trio forskare har visat att man genom att manipulera kvantintrassling åtminstone kan designa experiment som simulerar det.

Skriva i Fysiska granskningsbrev, David Arvidsson-Shukur från Hitachi Cambridge Laboratory, Storbritannien; Aidan McConnell vid University of Cambridge, Storbritannien; och Nicole Yunger Halpern från US National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland föreslår ett upplägg där en experimentalist skickar information tillbaka i tiden för att retroaktivt – i praktiken – ändra sina handlingar på ett sätt som ger optimala mätningar. Spännande nog avslöjar trion att sådana simulerade tidsresor i intrasslade system kan underlätta fysiska fördelar som skulle vara omöjliga att uppnå i rent klassiska system.

Vetenskapen om kvantmätningar

Även om faktiska tidsresor bakåt är hypotetiska, har kvantmekaniska versioner föreslagits och simulerade experimentellt. En avgörande ingrediens i dessa simuleringar är teleportering, där ett tillstånd från experimentets mellansteg effektivt skickas tillbaka till början. För att detta ska vara möjligt måste staterna vara intrasslade. Med andra ord måste de dela en typ av kvantkoppling som uppstår mellan två (eller flera) partiklar så att tillståndet för den ena inte kan definieras oberoende av den andra.

Eftersom dessa simuleringar av tidsresor är beroende av kvantmekanik, gör de det möjligt för forskare att ställa meningsfulla frågor om karaktären och eventuella fördelar med kvantsystem. I det nya verket gör Arvidsson-Shukur, McConnell och Yunger Halpern just det genom att undersöka vilka fördelar simuleringar av bakåtgående tidsresor kan ha för kvantmetrologi – ett fysikfält som använder kvantmekanik för att göra mycket exakta mätningar.

Ett typiskt kvantmetrologiskt problem handlar om att uppskatta någon okänd parameter för ett system eller en process med hjälp av kvantmekaniska sonder. När proberna är förberedda och gjorda för att interagera med systemet, kommer sättet som probernas tillståndstransformationer att koda information om den okända parametern. Målet är att lära sig så mycket information som möjligt per sond.

Post-selektiv mätning kan hjälpa till med detta. I denna process gör experimentalisten en mätning och väljer sedan, beroende på utfallet, att inkludera eller exkludera vissa experimentella resultat från analys. Detta koncentrerar informationen som lärs per sond.

Tidigare Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern och deras medarbetare demonstreras att i ett kvantsystem kan valet av ett optimalt ingångsprobtillstånd göra det möjligt för en experimentalist att få mer information per sond än vad som är möjligt klassiskt. Men typiskt sett lär sig experimentalisten vilket ingångstillstånd som skulle ha varit optimalt först efter att interaktionen inträffat. I ett scenario utan tidsresor är detta inte bra.

Fördel med simulerade tidsresor

Om emellertid experimentalisten teleporterar det optimala ingångstillståndet bakåt i tiden via intrasslingsmanipulation, visar trion att detta kan ge nya operativa fördelar. I sitt förslag förbereder en experimentalist ett par maximalt intrasslade kvantbitar, eller qubits, kallade A och C, plus en extra qubit som sonden. Målet är att mäta styrkan av en okänd interaktion med hjälp av sonden. Inledningsvis är experimentalisten omedveten om det optimala ingångstillståndet för A. I det första steget samverkar sonden och qubit A. Informationen om den okända parametern för interaktionen är kodad i sondens tillstånd. I ett mellansteg mäter dock experimentisten tillståndet för qubit A. Denna mätning avslöjar information om det ännu okända optimala tillståndet.

Därefter använder experimentisten denna information för att förbereda en extra qubit D i detta optimala tillstånd. Sedan mäter de det gemensamma tillståndet för qubitarna C och D. Om detta gemensamma tillstånd inte matchar det initiala gemensamma tillståndet för A och C, kasseras mätningen från analysen. Detta plockar effektivt ut fall där det optimalt förberedda tillståndet D teleporterar till det ursprungliga tillståndet för qubit A. Teleporteringen innebär att när experimentalisten mäter sonden, registrerar de optimal informationsvinst även om de initialt inte förberedde sonden i det optimala tillståndet .

Under experimentet skulle experimentalisten kassera många icke-matchande mätningar. Det kan tyckas kostsamt. Men de mätningar som experimentalisten håller – de där teleporteringen är framgångsrik – har hög informationsvinst per sond. Sammantaget uppväger informationen från ett fåtal optimala sonder förlusterna när de summeras över flera försök.

Huruvida tidsresor är fysiskt möjliga eller inte diskuteras fortfarande. Experimentalister kan dock använda kvantmekanik och simulera tidsresor i labbet för att utföra mer exakta mätningar. Som Arvidsson-Shukur, McConnell och Yunger Halpern avslutar i sin artikel, "Även om simuleringar av [tidsresor] ​​inte tillåter dig att gå tillbaka och ändra ditt förflutna, tillåter de dig att skapa en bättre morgondag genom att fixa gårdagens problem idag."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden