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Quantenmessungen: »Zeitreisendes« Qubit optimiert Quantensensor

Seltsame Quantenwelt: Ein Quantensensor simuliert eine Zeitreise und beschafft sich so eine Information, die er eigentlich nicht haben dürfte.
Zeitreise
Zeitreisen - geschlossene zeitartige Kurven durch die Raumzeit - gestalten sich bisher schwierig. Aber zumindest in der Welt der Mathematik hat man eine Chance.

Quantensensoren auf Basis von Qubits können deutlich feinfühliger sein als klassische Sensoren. Die Sache hat allerdings einen Haken: Der Sensor muss dazu in einem optimalen Zustand für die Messung sein. Und dazu braucht man Informationen, die man erst nach der Messung hat. Zum Beispiel kann man mit Hilfe von Elektronenspins elektromagnetische Felder extrem präzise vermessen, aber eben nur, wenn der Spin in die richtige Richtung relativ zum Feld zeigt. Nun hat eine Arbeitsgruppe um den Physiker Xingrui Song von der Washington University in St. Louis, Missouri, einen Trick gefunden, dieses Henne-Ei-Problem zu umgehen. Wie das Team jetzt in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« berichtet, kann man die maximale Quanteninformation aus dem Messaufbau gewinnen, indem man ein zweites Qubit – mathematisch betrachtet – in die Zeit vor der Messung zurückschickt.

Das Qubit reist nicht wirklich in die Vergangenheit. Aber was das Ergebnis angeht, ist der Effekt ähnlich. Der Trick ist, dass bestimmte Prozesse mit Quantenverschränkung mathematisch äquivalent sind zu so genannten geschlossenen zeitartigen Kurven – jenen Wegen durch die Raumzeit, die man beschreitet, wenn man rückwärts in der Zeit reist. Man könnte also nach der Idee des Teams um Song ein solches Verschränkungsexperiment clever mit einem Quantensensor koppeln und so die fehlende Information quasi nachträglich aus der Vergangenheit bergen. Das tut man nicht so direkt, die Verschränkung leistet aber das praktische Äquivalent dazu. Fachleute bezeichnen die Methode als »agnostische Messung«, weil sie im Unterschied zu anderen Verfahren die eigentlich fehlende Information nicht vor der Datennahme einholt.

Das Team wendet diesen Ansatz konkret auf eine Situation an, in der ein Magnetfeld seine Orientierung allmählich verändert und zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen werden soll. Laut der Veröffentlichung führt das von der Forschungsgruppe entwickelte Protokoll dazu, dass das Qubit automatisch in der richtigen Orientierung ist, um das Feld zu messen. Dazu sieht es vor, das Qubit, das die Messung durchführt, mit einem zweiten Qubit zu verschränken, genannt ancilla – lateinisch für Dienerin. Anschließend müssen die beiden Qubits in genau der richtigen Reihenfolge ausgelesen werden. So gewinnt man die eigentlich fehlende Information zusammen mit der Messung. Das Ergebnis ist eine Art Zeitreise in den Moment vor der Messung – auch wenn sie nur in der Welt der Mathematik stattfindet.

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  • Quellen
Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.132.260801, 2024

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