Diese Grafik zeigt, dass mit zunehmender Genauigkeit der Quantenkanone (von 0 auf 180 Grad) die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen selbstkonsistenten Teleportation (rote Punkte) abnimmt, so dass es wahrscheinlicher ist, dass der Zustand eines Qubits umgedreht wird. Während die theoretische Wahrscheinlichkeit der Teleportation von Qubits in entgegengesetzten Zuständen Null ist, beträgt die experimentelle Wahrscheinlichkeit von Qubits in entgegengesetzten Zuständen (blaue Rauten) etwa 0, 01. Bildunterschrift: Seth Lloyd et al. © 2011 American Physical Society.

(PhysOrg.com) - Unter den vielen faszinierenden Konzepten in Einsteins Relativitätstheorien befindet sich die Idee von geschlossenen zeitähnlichen Kurven (CTCs), die Pfade in der Raumzeit sind, die zu ihren Ausgangspunkten zurückkehren. Daher bieten CTCs die Möglichkeit, in die Vergangenheit zu reisen. Doch wie viele Science-Fiction-Filme bereits angesprochen haben, steckt die Zeitreise voller möglicher Paradoxien. Das vielleicht bemerkenswerteste ist das Paradoxon des Großvaters, bei dem ein Zeitreisender in die Vergangenheit reist und seinen Großvater tötet, um seine eigene Geburt zu verhindern.

In einer neuen Studie hat ein Forscherteam eine neue Theorie von CTCs vorgeschlagen, die das Paradoxon des Großvaters auflösen kann, und sie führen auch ein Experiment durch, das zeigt, wie ein solches Schema funktioniert. Die Forscher, angeführt von Seth Lloyd vom MIT, zusammen mit Wissenschaftlern der Scuola Normale Superiore in Pisa, Italien; die Universität von Pavia in Pavia, Italien; das Tokyo Institute of Technology; und die University of Toronto haben ihre Studie in einer aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht. Die Konzepte in der Studie ähneln einer früheren Studie einiger derselben Autoren, die letztes Jahr auf arXiv.org veröffentlicht wurde.

"Einsteins allgemeine Relativitätstheorie unterstützt geschlossene zeitliche Kurven", sagte Lloyd gegenüber PhysOrg.com . „Seit Jahrzehnten streiten sich Forscher darüber, wie solche Objekte quantenmechanisch behandelt werden können. Wir glauben, dass unsere Theorie die korrekte Theorie solcher Objekte ist. Darüber hinaus zeigt unsere Theorie, wie Zeitreisen auch ohne allgemeine relativistische geschlossene zeitähnliche Kurven durchgeführt werden können. “

In der neuen Theorie müssen sich CTCs wie ideale Quantenkanäle verhalten, die an der Teleportation beteiligt sind. In dieser Theorie werden selbstkonsistente CTCs (solche, die keine Paradoxien ergeben) nachgewählt und als „P-CTCs“ bezeichnet. Wie die Wissenschaftler erklären, unterscheidet sich diese Theorie von der allgemein akzeptierten Quantentheorie der CTCs, die der Physiker David vorgeschlagen hat Deutsch, in dem ein Zeitreisender seine Selbstbeständigkeit beibehält, indem er in eine andere Vergangenheit reist als die, an die er sich erinnert. In der P-CTC-Formulierung müssen Zeitreisende in die Vergangenheit reisen, an die sie sich erinnern.

Obwohl die Nachauswahl von CTCs kompliziert erscheint, kann sie tatsächlich in Laborsimulationen experimentell untersucht werden. Indem sie ein "lebendes" Qubit (dh ein bisschen im Zustand 1) einige Milliardstel Sekunden zurückschicken, um zu versuchen, sein früheres Selbst zu "töten" (dh in den Zustand 0 zu wechseln), zeigen die Wissenschaftler, dass dies nur der Fall ist Photonen, die sich nicht selbst töten, können die Reise machen.

"P-CTCs projizieren einen Teil des Quantenzustands", sagte Lloyd. „Eine andere Art, über geschlossene zeitähnliche Kurven nachzudenken, ist die folgende. In der normalen Physik (dh ohne geschlossene zeitliche Kurven) gibt man den Zustand eines Systems in der Vergangenheit an, und die Gesetze der Physik geben dann an, wie sich dieser Zustand in der Zukunft entwickelt. In Gegenwart von CTCs bricht diese Vorschrift zusammen: Der Zustand in der Vergangenheit plus die Gesetze der Physik reichen nicht mehr aus, um den Zustand in der Zukunft zu spezifizieren. Darüber hinaus muss man sowohl die Endbedingungen als auch die Anfangsbedingungen angeben. In unserem Fall geben diese Endbedingungen den Zustand an, in dem es in Zukunft in die geschlossene zeitliche Kurve eintritt. Diese Endbedingungen projizieren einen Teil des Quantenzustands wie oben beschrieben.

„Obwohl man eine echte allgemeine relativistische CTC braucht, um endgültige Bedingungen auferlegen zu können, können wir dennoch simulieren, wie eine solche CTC funktionieren würde, indem wir die Anfangsbedingung einrichten, das System entwickeln lassen und dann eine Messung durchführen. Eines der möglichen Ergebnisse der Messung entspricht der Endbedingung, die wir auferlegen möchten. Wenn dieses Ergebnis eintritt, ist alles, was bis zu diesem Zeitpunkt im Experiment passiert ist, genau das gleiche, als wäre das Photon in der Zeit zurückgegangen und hätte versucht, sein früheres Selbst zu töten. Wenn wir dieses Ergebnis nachträglich auswählen, entspricht das Experiment einem echten CTC. “

Zur Demonstration speicherten die Wissenschaftler zwei Qubits in einem einzigen Photon, von denen eines das vorwärts laufende Qubit und eines das rückwärts laufende Qubit darstellt. Das rückwärts laufende Qubit kann sich nur dann durch einen Quantenkanal (CTC) teleportieren, wenn der CTC endet, indem die beiden verschränkten Qubits in denselben Zustand projiziert werden.

Nachdem die Qubits verwickelt sind, werden ihre Zustände durch zwei Sonden-Qubits gemessen. Als nächstes wird eine "Quantenkanone" auf das sich vorwärts bewegende Qubit abgefeuert, die abhängig vom Winkel der Kanone die Polarisation des Qubits drehen kann oder nicht. Die Zustände der Qubits werden erneut gemessen, um herauszufinden, ob die Kanone die Polarisation des vorwärts laufenden Qubits gekippt hat oder nicht. Befinden sich beide Qubits im gleichen Zustand (00 oder 11), hat die Waffe die Polarisation nicht umgekehrt und das Photon "überlebt". Sind die Zustände der Qubits nicht gleich (01 oder 10), hat das Photon "getötet". sein vergangenes Ich. Die Ergebnisse des Experiments zeigten, dass die Zustände der Qubits fast immer gleich waren, was zeigt, dass ein Qubit sein früheres Selbst nicht töten kann.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass ihr Experiment nicht testen kann, ob ein tatsächlicher CTC ihrer neuen Theorie entspricht, da derzeit nicht bekannt ist, ob es überhaupt CTCs gibt. In Zukunft planen sie, weitere Tests durchzuführen, um Zeitreise-Paradoxien besser zu verstehen.

"Wir wollen das sogenannte" unbewiesene Theorem-Paradoxon "-Experiment durchführen, bei dem der Zeitreisende einen eleganten Beweis eines Theorems in einem Buch sieht", sagte Lloyd. „Sie geht in die Vergangenheit und zeigt den Beweis einem Mathematiker, der den Beweis in das Buch, das er schreibt, einschließt. Natürlich ist das Buch das gleiche, aus dem der Zeitreisende den Beweis überhaupt erst gezogen hat. Woher kam der Beweis? Unsere Theorie hat eine spezifische Vorhersage / Retrodiktion für dieses Paradoxon, die wir experimentell testen möchten. “