Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge gebruikten kwantumverstrengeling om een ​​scenario te simuleren dat lijkt op reizen terug in de tijd. Dit maakt het mogelijk om gedrag uit het verleden met terugwerkende kracht te veranderen om de huidige resultaten te verbeteren. Natuurkundigen hebben aangetoond dat het simuleren van hypothetische tijdreismodellen experimentele problemen kan oplossen die met de standaardfysica onoplosbaar leken. Als gokkers, investeerders en kwantumexperimentalisten de pijl van de tijd zouden kunnen buigen, zou hun voordeel enorm toenemen, wat tot betere resultaten zou leiden.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben aangetoond dat ze door het manipuleren van verstrengeling – een kenmerk van de kwantumtheorie die ervoor zorgt dat deeltjes intrinsiek met elkaar verbonden zijn – kunnen simuleren wat er zou gebeuren als een persoon terug in de tijd zou kunnen reizen. In sommige gevallen kunnen gokkers, investeerders en kwantumexperimentalisten dus met terugwerkende kracht hun gedrag uit het verleden veranderen om de huidige resultaten te verbeteren.

Hoewel wetenschappers eerder hebben gemodelleerd hoe een dergelijke ruimte-tijdlus zich zou gedragen als deze zou bestaan, blijft de vraag of deeltjes terug in de tijd kunnen reizen een controversieel onderwerp onder natuurkundigen. Door hun nieuwe theorie te koppelen aan de kwantummetrologie (het gebruik van de kwantumtheorie om zeer gevoelige metingen uit te voeren), demonstreerde het team uit Cambridge dat verstrengeling problemen kan oplossen die onmogelijk leken op te lossen. Het onderzoek werd op 12 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

"Stel je voor dat je een cadeau naar iemand wilt sturen: je moet het op de eerste dag versturen om er zeker van te zijn dat het op de derde dag aankomt. Je kunt echter pas op de tweede dag het verlanglijstje van die persoon ontvangen. In deze chronologische situatie is het dus onmogelijk om van tevoren te weten welk cadeau de ander wil, en is het onmogelijk om ervoor te zorgen dat je het juiste cadeau krijgt", zegt eerste auteur David Arvidsson-Shukur van Hitachi Cambridge Laboratory.

"Stel je nu voor dat je het cadeau dat je op de eerste dag hebt verzonden, kunt veranderen op basis van de informatie op het verlanglijstje die je de volgende dag hebt ontvangen. Onze simulatie maakt gebruik van kwantumverstrengelingsmanipulatie om te laten zien hoe je met terugwerkende kracht je eerdere gedrag kunt veranderen om ervoor te zorgen dat het eindresultaat is wat je wilt."

De simulatie is gebaseerd op kwantumverstrengeling, waarbij sterke correlaties betrokken zijn die kwantumdeeltjes kunnen delen, maar die klassieke deeltjes – die beheerst worden door de alledaagse natuurkunde – niet.

De eigenaardigheid van de kwantumfysica is dat als twee deeltjes dichtbij genoeg zijn om te interageren, ze met elkaar verbonden kunnen blijven, zelfs als ze gescheiden zijn. Dit is de basis van quantum computing: het gebruik van onderling verbonden deeltjes om berekeningen uit te voeren die te complex zijn voor klassieke computers.

"In ons ontwerp verstrengelt de onderzoeker twee deeltjes met elkaar", zegt Nicole Yunger Halpern, onderzoeker bij het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Universiteit van Maryland. "Het eerste deeltje wordt vervolgens verzonden voor gebruik in het experiment. Nadat hij nieuwe informatie heeft verkregen, manipuleert de onderzoeker het tweede deeltje, waardoor de vroegere toestand van het eerste deeltje effectief verandert, waardoor de uitkomst van het experiment verandert."

"Het effect is zeer significant, maar gebeurt slechts één op de vier keer! Met andere woorden: de simulatie mislukt 75 procent van de tijd. Maar het goede nieuws is dat je weet of je faalt. Als we doorgaan met de geschenkanalogie, dan is het één op de vier keer een gewenst geschenk (zoals een broek), en een andere keer is het een broek in de verkeerde maat, of de verkeerde kleur, of een jas", zei Arvidson-Shukur.

Om hun model relevant te maken voor de technologie, koppelden theoretici het aan de kwantummetrologie. In een gebruikelijk kwantummetrologie-experiment worden fotonen – kleine lichtdeeltjes – op een interessant monster geschenen en vervolgens met een speciale camera opgenomen. Als het experiment effectief wil zijn, moeten de fotonen op de een of andere manier worden voorbereid voordat ze het monster bereiken. Onderzoekers hebben aangetoond dat ze gesimuleerde tijdreizen kunnen gebruiken om het originele foton met terugwerkende kracht te veranderen, zelfs als ze leren hoe ze het foton het beste kunnen voorbereiden nadat het het monster heeft bereikt.

Om de grote kans op mislukking te compenseren, stellen theoretici voor om grote aantallen verstrengelde fotonen te sturen, wetende dat sommige uiteindelijk de juiste, actuele informatie zullen bevatten. Vervolgens gaan ze met filters ervoor zorgen dat de juiste fotonen door de camera gaan, terwijl de filters de resterende ‘slechte’ fotonen tegenhouden.

Co-auteur Aidan McConnell voerde het onderzoek uit tijdens zijn masteropleiding aan het Cavendish Laboratory in Cambridge en is nu een PhD-student aan de ETH Zürich. "Ervan uitgaande dat de kosten voor het versturen van cadeaus laag zijn, kunnen we op de eerste dag veel pakketjes versturen. Op de tweede dag weten we welk cadeau er moet worden verzonden. Als het pakketje op de derde dag arriveert, is één op de vier cadeaus correct en selecteren we deze cadeaus door de ontvanger te vertellen welke exprespost weggegooid moet worden."

"Het is eigenlijk geruststellend dat onze experimenten filters nodig hebben om succesvol te zijn," zei Arvidson-Shukur. "Als onze tijdreissimulaties elke keer zouden slagen, zou de wereld een heel vreemde plek zijn. De relativiteit en alle theorieën waarop we vertrouwen om het universum te begrijpen, zouden ophouden te bestaan. In plaats van een tijdreismachine stellen wij een diepe duik in de grondbeginselen van de kwantummechanica voor. Met deze simulaties kun je niet terug in de tijd gaan en je verleden veranderen, maar ze stellen je wel in staat de problemen van gisteren op te lossen om een ​​betere toekomst te creëren."