Simulationen von "Zeitreisen rückwärts" können wissenschaftliche Experimente verbessern.

12. Oktober 2023

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von der Universität Cambridge

Physiker haben gezeigt, dass die Simulation von Modellen hypothetischer Zeitreisen experimentelle Probleme lösen kann, die mit der Standardphysik scheinbar unlösbar sind. Wenn Glücksspieler, Investoren und Quantenexperimentatoren die Zeit beeinflussen könnten, wäre ihr Vorteil wesentlich höher und würde zu deutlich besseren Ergebnissen führen.

Forscher an der Universität Cambridge haben gezeigt, dass sie durch die Manipulation von Verschränkung - einer Eigenschaft der Quantentheorie, die bewirkt, dass Partikel intrinsisch miteinander verbunden sind - simulieren können, was passieren könnte, wenn man rückwärts in der Zeit reisen könnte. Dadurch könnten Glücksspieler, Investoren und Quantenexperimentatoren in einigen Fällen ihre vergangenen Handlungen nachträglich ändern und ihre Ergebnisse in der Gegenwart verbessern.

Ob Partikel rückwärts in der Zeit reisen können, ist ein umstrittenes Thema unter Physikern, obwohl Wissenschaftler zuvor Modelle simuliert haben, wie solche Raumzeit-Schleifen sich verhalten könnten, wenn sie existieren würden. Das Cambridge-Team hat durch die Verbindung ihrer neuen Theorie mit der Quantenmetrologie, die Quantentheorie verwendet, um hochsensible Messungen durchzuführen, gezeigt, dass Verschränkung Probleme lösen kann, die sonst unmöglich erscheinen.

Die Studie erscheint in der Zeitschrift Physical Review Letters.

'Stellen Sie sich vor, Sie möchten jemandem ein Geschenk schicken: Sie müssen es am ersten Tag abschicken, um sicherzustellen, dass es am dritten Tag ankommt', sagt Hauptautor David Arvidsson-Shukur vom Cambridge Hitachi Laboratory. 'Sie erhalten jedoch erst am zweiten Tag die Wunschliste dieser Person. Also ist es in diesem chronologisch respektierenden Szenario unmöglich, im Voraus zu wissen, was sie sich als Geschenk wünscht, und sicherzustellen, dass Sie das Richtige schicken.'

'Stellen Sie sich nun vor, Sie können das, was Sie am ersten Tag verschicken, mit den Informationen von der am zweiten Tag erhaltenen Wunschliste ändern. Unsere Simulation verwendet die Manipulation von quantenmechanischer Verschränkung, um zu zeigen, wie Sie Ihre früheren Handlungen nachträglich ändern könnten, um das gewünschte Endergebnis sicherzustellen.'

Die Simulation basiert auf quantenmechanischer Verschränkung, die aus starken Korrelationen besteht, die Quantenteilchen teilen können und klassische Teilchen - diejenigen, die von der Alltagsphysik beherrscht werden - nicht.

Das Besondere an der Quantenphysik ist, dass sich zwei Partikel, wenn sie nahe genug beieinander sind, auch dann verbunden bleiben können, wenn sie getrennt sind. Dies bildet die Grundlage für Quantencomputing - die Nutzung verbundener Partikel zur Durchführung von Berechnungen, die für klassische Computer zu komplex sind.

'In unserem Vorschlag verschmelzt ein Experimentator zwei Partikel', sagt Mitautorin Nicole Yunger Halpern, Forscherin am National Institute of Standards and Technology (NIST) und an der University of Maryland. 'Das erste Teilchen wird dann für ein Experiment verwendet. Nachdem neue Informationen gewonnen wurden, manipuliert der Experimentator das zweite Teilchen, um den Zustand des ersten Teilchens in der Vergangenheit effektiv zu verändern und damit das Ergebnis des Experiments zu ändern.'

'Der Effekt ist bemerkenswert, tritt aber nur in einem von vier Fällen auf', sagt Arvidsson-Shukur. 'Mit anderen Worten, die Simulation hat eine 75%ige Chance zu scheitern. Aber die gute Nachricht ist, dass Sie wissen, ob Sie gescheitert sind. Bei unserem Geschenkvergleich wird das Geschenk ein Mal von vier Malen das gewünschte sein (zum Beispiel eine Hose), ein anderes Mal wird es eine Hose, aber in der falschen Größe oder Farbe sein, oder es wird eine Jacke sein.'

Um ihr Modell für Technologien relevant zu machen, haben die Theoretiker es mit der Quantenmetrologie verbunden. Bei einem gängigen Experiment der Quantenmetrologie werden Photonen - kleine Lichtteilchen - auf eine interessierende Probe geschickt und dann mit einer speziellen Art von Kamera registriert. Damit dieses Experiment effizient sein kann, müssen die Photonen auf eine bestimmte Weise vorbereitet werden, bevor sie die Probe erreichen.

Die Forscher haben gezeigt, dass sie selbst dann, wenn sie erst lernen, wie sie die Photonen am besten vorbereiten können, nachdem die Photonen die Probe erreicht haben, durch Simulationen von Zeitreisen die ursprünglichen Photonen rückwirkend ändern können.

Um die hohe Chance auf Fehler auszugleichen, schlagen die Theoretiker vor, eine große Anzahl von verschränkten Photonen zu senden, in der Erwartung, dass einige letztendlich die korrekten, aktualisierten Informationen enthalten. Anschließend würden sie einen Filter verwenden, um sicherzustellen, dass die richtigen Photonen an der Kamera vorbeikommen, während der Filter die übrigen 'schlechten' Photonen ablehnt.

'Consider our earlier analogy about gifts,' said co-author Aidan McConnell, who carried out this research during his master's degree at the Cavendish Laboratory in Cambridge, and is now a Ph.D. student at ETH, Zürich. 'Let's say sending gifts is inexpensive and we can send numerous parcels on day one. On day two we know which gift we should have sent. By the time the parcels arrive on day three, one out of every four gifts will be correct, and we select these by telling the recipient which deliveries to throw away.'

'That we need to use a filter to make our experiment work is actually pretty reassuring,' said Arvidsson-Shukur. 'The world would be very strange if our time-travel simulation worked every time. Relativity and all the theories that we are building our understanding of our universe on would be out of the window.'

'We are not proposing a time travel machine, but rather a deep dive into the fundamentals of quantum mechanics. These simulations do not allow you to go back and alter your past, but they do allow you to create a better tomorrow by fixing yesterday's problems today.'

Journal information: Physical Review Letters

Provided by University of Cambridge