Die Zeit geht in eine Richtung: vorwärts. Kleine Jungen werden alte Männer, aber nicht umgekehrt; Teetassen zerbrechen, setzen sich aber nie spontan wieder zusammen. Diese grausame und unveränderliche Eigenschaft des Universums, die als "Pfeil der Zeit" bezeichnet wird, ist im Wesentlichen eine Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der vorschreibt, dass Systeme im Laufe der Zeit immer ungeordneter werden. Aber kürzlich haben Forscher aus den USA und Russland diesen Pfeil nur ein wenig gebogen - zumindest für subatomare Partikel.
In der neuen Studie, die am Dienstag (12. März) in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, manipulierten die Forscher den Zeitpfeil mit einem winzigen Quantencomputer aus zwei Quantenpartikeln, sogenannten Qubits, die Berechnungen durchführten.
Auf der subatomaren Skala, auf der die ungeraden Regeln der Quantenmechanik gelten, beschreiben Physiker den Zustand von Systemen durch ein mathematisches Konstrukt, das als Wellenfunktion bezeichnet wird. Diese Funktion ist ein Ausdruck aller möglichen Zustände, in denen sich das System befinden könnte - selbst im Fall eines Partikels alle möglichen Orte, an denen es sich befinden könnte - und der Wahrscheinlichkeit, dass sich das System zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem dieser Zustände befindet . Im Allgemeinen breiten sich im Laufe der Zeit Wellenfunktionen aus; Der mögliche Standort eines Partikels kann weiter entfernt sein, wenn Sie eine Stunde warten, als wenn Sie 5 Minuten warten.
Das Rückgängigmachen der Ausbreitung der Wellenfunktion ist wie der Versuch, verschüttete Milch wieder in die Flasche zu füllen. Genau das haben die Forscher in diesem neuen Experiment erreicht.
"Es gibt im Grunde keine Chance, dass dies alleine passiert", sagte der leitende Forscher Valerii Vinokur, Physiker am Argonne National Laboratory in Illinois, gegenüber Live Science. "Es ist wie das Sprichwort, wenn man einem Affen eine Schreibmaschine und viel Zeit gibt, kann er Shakespeare schreiben." Mit anderen Worten, es ist technisch möglich, aber so unwahrscheinlich, dass es genauso gut unmöglich sein kann.
Wie haben die Wissenschaftler das Unmögliche möglich gemacht? Durch sorgfältige Kontrolle des Experiments.
"Man braucht wirklich viel Kontrolle, um alle zerbrochenen Teile einer Teetasse wieder zusammenzubringen", sagte Stephen Bartlett, Professor für Physik an der Universität von Sydney, gegenüber Live Science. Bartlett war nicht an der Studie beteiligt. "Man muss viel Kontrolle über das System haben, um das zu erreichen ... und ein Quantencomputer ist etwas, mit dem wir eine enorme Kontrolle über ein simuliertes Quantensystem haben können."
Die Forscher simulierten mit einem Quantencomputer ein einzelnes Teilchen, dessen Wellenfunktion sich wie eine Welle in einem Teich über die Zeit ausbreitete. Dann schrieben sie einen Algorithmus in den Quantencomputer, der die zeitliche Entwicklung jeder einzelnen Komponente der Wellenfunktion umkehrte und diese Welligkeit im Wesentlichen in das Teilchen zurückzog, das sie erzeugte. Sie haben dieses Kunststück vollbracht, ohne die Entropie oder Unordnung anderswo im Universum zu erhöhen, und sich scheinbar dem Pfeil der Zeit zu widersetzen.
Bedeutet das, dass die Forscher eine Zeitmaschine gebaut haben? Haben sie die Gesetze der Physik verletzt? Die Antwort auf beide Fragen lautet Nein. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Ordnung des Universums mit der Zeit abnehmen muss, aber nicht, dass sie in ganz besonderen Fällen niemals gleich bleiben kann. Und dieses Experiment war klein genug, kurz genug und kontrolliert genug, dass das Universum weder Energie gewann noch verlor.
"Es ist sehr komplex und kompliziert, Wellen auf einem Teich zurückzusenden", sagte Vinokur, "aber wir haben gesehen, dass dies in der Quantenwelt in einem sehr einfachen Fall möglich war." Mit anderen Worten, es war möglich, wenn sie die ihnen vom Quantencomputer gegebene Kontrolle verwendeten, um den Effekt der Zeit rückgängig zu machen.
Nach dem Ausführen des Programms kehrte das System in 85 Prozent der Fälle in den ursprünglichen Zustand zurück. Als jedoch ein drittes Qubit eingeführt wurde, war das Experiment nur in 50 Prozent der Fälle erfolgreich. Die Forscher sagten, dass die Komplexität des Systems mit dem dritten Qubit wahrscheinlich zu stark zugenommen habe, was es für den Quantencomputer schwieriger mache, die Kontrolle über alle Aspekte des Systems zu behalten. Ohne diese Kontrolle kann die Entropie nicht in Schach gehalten werden, und die Zeitumkehr ist daher unvollständig. Dennoch streben sie für ihre nächsten Schritte größere Systeme und größere Quantencomputer an, sagte Vinokur gegenüber Live Science.
"Die Arbeit ist ein schöner Beitrag zu den Grundlagen der Physik", sagte James Whitfield, Professor für Physik am Dartmouth College in New Hampshire, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Live Science. "Es erinnert uns daran, dass nicht alle Anwendungen des Quantencomputers anwendungsorientiert sein müssen, um interessant zu sein."
"Genau deshalb bauen wir Quantencomputer", sagte Bartlett. "Dies ist eine Demonstration, dass Quantencomputer es uns ermöglichen können, Dinge zu simulieren, die in der realen Welt nicht vorkommen sollten."
