Wie man unbekannte Quantenprozesse umkehrt

In der Welt um uns herum scheinen Prozesse einer bestimmten Zeitrichtung zu folgen: Aus Löwenzahn werden schließlich Pusteblumen. Das Quantenreich spielt jedoch nicht nach denselben Regeln. Physiker der Universität Wien und des IQOQI Wien haben nun gezeigt, dass sich bei bestimmten Quantensystemen die Zeitrichtung von Prozessen umkehren lässt. Diese Demonstration eines sogenannten Rückspulprotokolls wurde in veröffentlicht Optik.

Der Alltag ist voller Veränderungen, die gut verstanden, aber praktisch unmöglich rückgängig zu machen sind; zum Beispiel die Verwandlung eines Löwenzahns in eine Pusteblume. Man könnte sich jedoch vorstellen, diese Transformation Schritt für Schritt rückgängig zu machen, wenn man genau wüsste, wie sich jedes Molekül in der Pflanze zeitlich bewegt. Im Bereich der Quanten wird das Problem noch kniffliger: Eines der Kernprinzipien der Quantenphysik ist, dass die bloße Beobachtung eines Systems bewirkt, dass es sich verändert.

Damit ist es auch prinzipiell unmöglich, die zeitliche Veränderung eines Systems zu verfolgen und den Prozess umzukehren. Gleichzeitig eröffnen die Gesetze der Quantenmechanik aber auch neue Möglichkeiten wie universelle Rückspulprotokolle. Diese ermöglichen es, Änderungen in einem Quantensystem rückgängig zu machen, ohne zu wissen, was sie waren.

In einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Wien und dem IQOQI Wien haben Experimentalphysiker unter der Leitung von Philip Walther erfolgreich ein solches universelles Rückspulprotokoll implementiert, das von theoretischen Physikern unter der Leitung von Miguel Navascués entwickelt wurde. Durch die Kombination dieses neuartigen theoretischen Protokolls mit einem komplizierten optischen Aufbau zeigte die Gruppe, dass es tatsächlich möglich ist, Änderungen eines Quantensystems rückgängig zu machen. Dazu verwendeten sie ultraschnelle Glasfaserkomponenten und als Quantenschalter angeordnete Freiraum-Interferometer.

Sie kehrten erfolgreich die zeitliche Entwicklung eines einzelnen Photons um, ohne zu wissen, wie es sich zeitlich veränderte oder sogar, was seine Anfangs- und Endzustände waren. „Bemerkenswerterweise erfordert dieses Protokoll nicht einmal, dass die Natur der Wechselwirkungen mit dem Quantensystem bekannt ist“, sagt Peter Schiansky, Erstautor der Veröffentlichung.

Ihr universelles Rückspulprotokoll ist in seiner Laufzeit optimal effizient und kann mit beliebig hoher Wahrscheinlichkeit erfolgreich erweitert werden. Der Nachweis, dass Rückspulprotokolle in dieser allgemeinen Form existieren und technisch machbar sind, trägt zu unserem Verständnis der fundamentalen Quantenmechanik bei. In Zukunft könnten diese Protokolle zu einem nützlichen Werkzeug in Quanteninformationstechnologien werden.