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Unter bestimmten Bedingungen lässt sich die Entwicklung von Quantensystemen beliebig vor- oder zurückspulen. Wie das funktioniert, erklären theoretische Physiker der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun in der Fachzeitschrift "Quantum".
Ein Glas voller Murmeln nach ausgiebigem Schütteln wieder in seinen Ausgangszustand zu versetzen, ist nur möglich, wenn entweder der Ausgangszustand oder die Regeln des Zusammenspiels zwischen den Murmeln vollständig bekannt sind. Für die Quantenwelt gilt das nicht, wie Forscher des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) herausgefunden haben und nun im Fachjournal "Quantum" berichten.
Sie haben eine Blaupause für Experimente entwickelt, die es erlauben, ein beliebiges unbekanntes Quantensystem - im einfachsten Fall könnte das etwa ein Qubit bestehend aus einem einzelnen Photon sein - in die Vergangenheit zu schicken. "Wir können das System zum Beispiel fünf Sekunden in die Vergangenheit schicken. Wissen müssen wir dafür nur, wie viele Dimensionen das System hat. Im Fall eines Photons wären das zwei", erklärt Studienautor Miguel Navascués von der ÖAW.
In die Steinzeit geschickt werden kann ein Qubit so allerdings nicht. "Wir können ein System nicht weiter als die Dauer des Experiments zurückschicken. Wenn das Experiment für zehn Sekunden gelaufen ist, können wir ein System zehn Sekunden zurückspulen", sagt Navascués. Um das zu erreichen, präparieren die Forscher im Labor Quantenpartikel, die mit einem Quantenspeicher verschränkt sind. Diese werden dann durch eine Zone ausserhalb des Labors geschickt, in der sich das Ziel-Qubit befindet. Dabei interagiert der Quantenpartikel mit dem Qubit. Bei seiner Rückkehr ins Labor wird der Partikel vom Quantenspeicher entkoppelt. Durch die Messung des Quantenspeichers am Ende des Experiments spulen die Forscher den Zustand des Qubits zurück.
Schnelldurchlauf in die Zukunft
Die Forscher können für jede Anzahl von Dimensionen ein Protokoll entwickeln, das alle dazu passenden Quantensysteme zurückspulen kann. Wenn mehrere identische Quantensysteme zeitgleich mit dieser Methode untersucht werden, wird das Experiment noch interessanter. Dann lassen sich nämlich auch Experimente konstruieren, die es erlauben, eines der beteiligten Systeme in die Zukunft zu schicken. Das funktioniert aber nur, wenn die dafür nötige Zeit von den anderen Systemen "ausgeborgt" wird.
"Mit einem einzelnen Qubit funktioniert das nicht. Hier muss ich zehn Sekunden warten, wenn ich zehn Sekunden in die Zukunft will. Wenn ich aber drei Qubits habe, kann ich eines davon in 3,3 Sekunden zehn Sekunden in die Zukunft verschieben, wenn ich die anderen beiden dafür in der Zeit einfriere", sagt Navascués. Das zeitlich verschobene System liegt am Ende des Experiments in einem Zustand vor, den es bei ungestörter Entwicklung 6,6 Sekunden später eingenommen hätte.
Erstaunte Physiker
Dieses Ausborgen von Zeit zwischen mehreren Quantensystemen im Experiment funktioniert auch in Richtung der Vergangenheit. Wenn zwei Systeme eingefroren werden, kann ein drittes schneller zurückgespult werden. Auch das klappt nur, wenn mehrere Systeme gleichzeitig untersucht werden. Für ein einzelnes Qubit lässt sich lediglich die Richtung der Zeit umdrehen, sie läuft dann aber trotzdem in normaler Geschwindigkeit ab.
Die Möglichkeit beliebige, unkontrollierte Quantensysteme vor- und zurückzuspulen, könnte theoretisch auch genutzt werden, um Berechnungen schneller durchzuführen. Da die Technik für beliebige Quantensysteme funktioniert, könnte auch ein Quantencomputer auf diese Weise manipuliert werden. Dazu müssten aber mehrere Kopien des Quantencomputers gleichzeitig genutzt werden. Durch das Ausborgen von Zeit könnte eine der Kopien dann zu einem Zeitpunkt vorgespult werden, an dem die gewünschten Berechnungen bereits erledigt sind. "Dass das in der Praxis gemacht wird, ist aus heutiger Sicht unwahrscheinlich", sagt Navascués.
Die Publikation der Physiker sorgt aber auch ohne unmittelbare praktische Anwendungen für Aufsehen unter KollegInnen. "Als wir die Arbeit zur Publikation eingereicht haben, haben die Prüfer unsere Resultate zuerst angezweifelt. Zum Glück hatten wir solide Beweise", bekräftigt Navascués.
Publikation (open access):
"Translating Uncontrolled Systems in Time", David Trillo, Benjamin Dive, and Miguel Navascués, Quantum, 2020
DOI: https://doi.org/10.22331/q-2020-12-15-374