Forscher demonstrieren, wie man „zeitreisende“ Quantensensoren baut

Die Idee von Zeitreisen fasziniert Science-Fiction-Fans schon seit Jahren. Die Wissenschaft sagt uns, dass Reisen in die Zukunft technisch machbar sind, zumindest wenn man bereit ist, sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen. Eine Zeitreise in die Vergangenheit ist jedoch ein No-Go. Was aber, wenn Wissenschaftler die Vorteile der Quantenphysik nutzen könnten, um Daten über komplexe Systeme aufzudecken, die in der Vergangenheit stattgefunden haben?

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese Annahme gar nicht so weit hergeholt ist. In einem Artikel veröffentlicht 27. Juni 2024, in Briefe zur körperlichen ÜberprüfungKater Murch, Charles M. Hohenberg-Professorin für Physik und Direktorin des Center for Quantum Leaps an der Washington University in St. Louis, und ihre Kollegen Nicole Yunger Halpern vom NIST und David Arvidsson-Shukur von der University of Cambridge demonstrieren einen neuen Typ von Quantensensor, der Quantenverschränkung nutzt, um zeitreisende Detektoren herzustellen.

Murch beschreibt dieses Konzept als analog zur Möglichkeit, ein Teleskop in der Zeit zurückzuschicken, um eine Sternschnuppe einzufangen, die man aus dem Augenwinkel gesehen hat. In der Alltagswelt ist diese Idee ein Ding der Unmöglichkeit. Doch im mysteriösen und rätselhaften Land der Quantenphysik gibt es vielleicht eine Möglichkeit, die Regeln zu umgehen. Dies ist einer Eigenschaft verschränkter Quantensensoren zu verdanken, die Murch als „Rückschau“ bezeichnet.

Der Prozess beginnt mit der Verschränkung zweier Quantenteilchen in einem Quantensingulettzustand – also zwei Qubits mit entgegengesetztem Spin –, sodass die Spins, egal in welche Richtung man sie betrachtet, in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Von dort aus wird eines der Qubits – die „Sonde“, wie Murch sie nennt – einem Magnetfeld ausgesetzt, das es zum Rotieren bringt.

Im nächsten Schritt geschieht die sprichwörtliche Magie. Wenn das Hilfsqubit (dasjenige, das im Experiment nicht als Sonde verwendet wurde) gemessen wird, senden die Eigenschaften der Verschränkung seinen Quantenzustand (also seinen Spin) effektiv „zurück in der Zeit“ an das andere Qubit im Paar. Dies führt uns zurück zum zweiten Schritt des Prozesses, bei dem das Magnetfeld das „Sonden-Qubit“ rotieren ließ, und hier kommt der wahre Vorteil der Rückschau ins Spiel.

Unter normalen Umständen besteht bei dieser Art von Experiment, bei dem die Rotation eines Spins zur Messung der Stärke eines Magnetfelds verwendet wird, eine Wahrscheinlichkeit von eins zu drei, dass die Messung fehlschlägt. Denn wenn das Magnetfeld entlang der x-, y- oder z-Achse mit dem Qubit interagiert und es parallel oder antiparallel zur Spinrichtung ist, werden die Ergebnisse ungültig – es gibt dann keine Rotation, die gemessen werden kann.

Unter normalen Bedingungen, wenn das Magnetfeld unbekannt ist, müssten Wissenschaftler raten, in welche Richtung der Spin präpariert werden soll, was zu einer Wahrscheinlichkeit von einem Drittel des Scheiterns führen würde. Das Schöne an der Nachsicht ist, dass sie es Experimentatoren ermöglicht, die beste Richtung für den Spin – im Nachhinein – durch Zeitreisen festzulegen.

Einstein bezeichnete die Quantenverschränkung einst als „spukhafte Fernwirkung“. Das vielleicht Spukhafteste an der Verschränkung ist, dass wir verschränkte Teilchenpaare als dasselbe Teilchen betrachten können, das sich sowohl vorwärts als auch rückwärts in der Zeit bewegt.

Das gibt Quantenforschern neue kreative Möglichkeiten, bessere Sensoren zu bauen – insbesondere solche, die man effektiv in die Vergangenheit schicken kann. Es gibt eine Reihe potenzieller Anwendungen für diese Art von Sensoren, von der Erkennung astronomischer Phänomene bis hin zu dem bereits erwähnten Vorteil bei der Untersuchung magnetischer Felder, und mit der Weiterentwicklung des Konzepts werden sicherlich noch mehr in den Fokus rücken.