Zeitreisen im Quantenreich: Neue Technik lässt Teilchen vor- und zurückspulen und ebnet Quantencomputern den Weg in die Zukunft

Quantencomputer öffnen uns die Tür zu einer fundamental anderen Welt – und dort vermögen wir DInge zu vollbringen, die aus unserer Wahrnehmung eigentlich unmöglich sein sollten: wie zum Beispiel Zeitreisen. (Bildquelle: Production Perig / Adobe Stock)

Wir können bereits seit Ende 2020 in die Vergangenheit reisen. Da zeigten nämlich Forscher in einem Paper, wie sie die Kontrolle über die Zeit erlangten – zumindest auf winzigsten Skalen.

Wir erklären euch, wie Quantencomputer die Gesetze der Physik scheinbar verbiegen und wie Zeitreisen in Zukunft Bestandteil banalster Berechnungen in Hightech-Rechenzentren sein könnten.

Ein Quantenstrahl, der Zeit einfriert oder vorspult

Im Kern geht es in dem Experiment österreichischer Forscher um eine Methode, die den Zustand von Photonen (Lichtteilchen) oder Quantenbits (Qubit) zurückdrehen oder vorspulen kann.

Was sind Qubits? Obwohl unsere Computer und Quantencomputer einen Wortteil gemeinsam haben, sind sie grundverschieden. Sie arbeiten mit sogenannten Quantenbits (Qubits). Ein Qubit kann nur durch die Quantenmechanik korrekt beschrieben werden. Stellt euch anstatt einer Münze, die entweder Kopf oder Zahl (0/1) zeigt, eine sich stetig drehende vor. Sie nimmt alle möglichen Zustände zeitgleich ein, eine sogenannte Superposition.

Klassische CPUs arbeiten zwar schnell Aufgaben ab, aber immer nur eine nach der anderen. Quantencomputer hingegen sind die Multitasker schlechthin.

Kurzum: Immer wenn es darum geht, ein komplexes Problem mit unzähligen Variablen und Abhängigkeiten zu lösen, bieten Quantencomputer ein Potenzial, das mit klassischen CPUs und GPUs unerreichbar ist (via Karlsruhe Institute of Technology, Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und Fraunhofer).

Die Forscher nehmen vereinfacht einen nicht näher definierten Strahl aus Quantenpartikeln in Superposition. Er ist der Kern des insgesamt als Quantum Switch bezeichneten Systems.

Er lässt ein Zielteilchen im Experiment durch die Zeit reisen. Der Strahl trifft, was sie in der Zeit vor oder zurückbewegen wollen.

Dabei ist für uns unwichtig, aus welcher Art Teilchen (Photonen, Elektronen, Neutronen, etc.) der Strahl besteht. Es komme je nach Ziel nur darauf an, dass er passend konfiguriert ist, wie die Forscher hervorheben. Sie haben ihre Technik in mindestens zwei Fällen erfolgreich demonstriert: mit einem Photon und mit einem supraleitenden (kaum bis keinen elektrischen Widerstand leistendem) Qubit.

Eine spezielle Messung zeigt per 0/1 an, ob die Zeitreise funktioniert hat. 1 steht für ja, 0 für nein. Und jetzt kommt die Quantenphysik endgültig ins Spiel: Wir müssen messen, um die Realität zu erzeugen. Nur durch aktive Beobachtung werden in dieser für uns surrealen Anderswelt Zustände festgelegt.

Denn die Messung kollabiert den Zustand des Systems, wodurch bestimmt wird, ob die Zeitmanipulation erfolgreich war. Die Superposition der Partikel des Strahls, die mit dem Zielteilchen interagiert haben, wird durch die Messung aufgehoben. Das Ziel selbst verbleibt in der Superposition – aber wurde (bei 1) gezielt in einen Zustand versetzt, den es bereits innehatte oder erst später hätte innehaben sollen.

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Dabei müssen die Forscher aufgrund der speziellen Natur der Quantenmechanik nicht den Ausgangszustand kennen, allein der Jetzt-Status ermöglicht das Verschieben in der Zeit. Allerdings bleibt der zeitliche Rahmen auf die Dauer des Experiments begrenzt: Läuft es für insgesamt 10 Sekunden, erlaubt die Physik auch nur exakt so lange vor- oder zurückzuspulen.

Ferner kann sich ein Teilchen aber auch als Zeitdieb verdingen: Wenn das Protokoll auf mehrere Quantensysteme angewendet wird, können einige in der Zeit quasi eingefroren werden, während ein anderes schneller in die Zukunft oder Vergangenheit versetzt wird. Bei drei Qubits in einem 10-Sekunden-Experiment bleiben zwei still, während das dritte in 3,3 Sekunden den Zustand erreicht, den es zum Beispiel nach 10 Sekunden erreicht hätte.

Allerdings bleibt uns der Einsatz an uns oder anfassbaren, echten Objekten verwehrt. Auf oberhalb der Quantenebene lässt sich die Technik nicht übertragen. Also: weiter keine Zeitreisen für Menschen (via oeaw und iqoqi-vienna).

Gesellschaftsspiel-Analogie

Für eine andersartige, simplere Erklärung hier klicken

Als stark gestauchte Annäherung an das hier beschriebene Herumspulen von Quantenzuständen kann ein Gesellschaftsspiel herhalten: Stellt euch vor, ihr haltet eine Schachtel mit einem Puzzle, der Deckel ist geschlossen. Jetzt fangt ihr an zu schütteln, zehn Sekunden dumpfes papp-poltriges Rascheln später: Wie bekommt ihr die Teile zurück in die Position vom Beginn?

In unserer Welt gar nicht, es ist schlicht unmöglich, da die Positionen beim Start unbekannt blieben – in der Quantenwelt aber schon: Die Forscher können das Puzzle-Chaos zurückdrehen, ohne genau zu wissen, wie die Teile ursprünglich lagen. Sie nutzen die Regeln der Quantenphysik, um das System rückwärts laufen zu lassen.

Als Umschreibung für drei Teile auf Zeitreise nehmen wir zwei weitere Puzzle dazu:
Das wäre in etwa so, als würdet ihr euch beim Lösen des Puzzles, die potenziell mit zwei anderen Puzzles verbrachte Zeit herbeiholen, um schneller das zerstückelte Bild vor euch zusammenzusetzen.

Doch hier brechen die erzwungenen Ähnlichkeiten auseinander. Wir bräuchten alternative Realitäten unserer berührbaren, makroskopischen Welt. Die Quantenwelt hat die Superposition, wir kennen keine Entsprechung in unserem Alltag.

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Verrechnet? Rückspulknopf!

Erstmal klingt das nur nach Luftschloss-Experimenten findiger Forscher, doch die Technik könnte in Zukunft einen echten Nutzen erbringen:

Auch Quantencomputern passieren Fehler, da sie enorm empfindlich sind. Die hier experimentell erprobte Technik könnte Spielräume öffnen, um Risiken hinzunehmen, da Berechnungen quasi per Zeitreise wiederholbar sind. Stellt es euch stark vereinfacht wie einen Rückspulknopf für Quantensysteme vor.

Ihre Existenz vermag die Entwicklung stabiler Quantencomputer beschleunigen, die auch bei höheren Temperaturen arbeiten. Denn derzeit müssen die Hightech-Anlagen stark heruntergekühlt werden, um die erforderlichen Umgebungsbedingungen herzustellen.

Auch wenn uns nach heutigem Verständnis eine Reise in die Vergangenheit niemals vergönnt sein wird, eröffnen Quantencomputer halt wahrlich Tore zu einer Welt, in der unser Bauchgefühl für Erwartbares an Gültigkeit verliert: Wo Qubits und Photonen reisen, gelten andere Gesetze und die Vergangenheit wird zur Option für die Zukunft.