Ausgabe 206

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 206 / 20. 03. 2023
Wissenschaft & Technik
Wie man unbekannte
Quantenprozesse umkehrt
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Zeitliche Entwicklung eines einzelnen Photons mit universellem
Rewinding-Protokoll und Quantenswitch umgekehrt
In der Welt um uns herum scheinen Prozesse
einer bestimmten Zeitrichtung zu folgen:
Löwenzahnblüten werden zu Pusteblumen.
Die Quantenwelt hält sich jedoch nicht
an dieselben Regeln. PhysikerInnen der Universität
Wien und der Österreichischen Akademie
der Wissenschaften haben nun ge -
zeigt, daß sich in bestimmten Quantensystemen
die Zeitrichtung von Prozessen umkehren
läßt. Diese Demonstration eines sogenannten
Rewinding-Protokolls wurde in der
Zeitschrift „Optica“ veröffentlicht.
Unser Alltag ist voll von Veränderungen,
die zwar gut verstanden, aber praktisch nicht
umkehrbar sind – wie zum Beispiel die Me -
tamorphose eines Löwenzahns in eine Pusteblume.
Man könnte sich jedoch vorstellen,
diese Transformation Schritt für Schritt rück -
gängig zu machen, wenn man genau wüßte,
wie sich jedes einzelne Pflanzenmolekül in
der Zeit bewegt.
In der Quantenwelt wird das Problem
noch kniffliger: Eines der Kernprinzipien der
Quantenphysik ist, daß sich Systeme allein
durch Beobachtung verändern. Dies macht
es selbst im Prinzip unmöglich, die Veränderung
eines Systems in der Zeit zu verfolgen
und den Prozeß umkehrbar zu machen.
Gleichzeitig eröffnen die Gesetze der Quantenmechanik
aber auch neue Möglichkeiten
wie z.B. universelle Rewinding-Protokolle.
Diese erlauben es, Veränderungen in einem
Quantensystem umzukehren, ohne zu wissen,
wie diese ausgesehen haben.
In einer Kooperation zwischen der Universität
Wien und dem Wiener Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation der
Österreichischen Akademie der Wissenschaf -
ten haben ExperimentalphysikerInnen unter
der Leitung von Philip Walther ein solches
universelles Rewinding-Protokoll erfolgreich
umgesetzt, das von theoretischen Physikern
um Miguel Navascués entwickelt
wurde. Indem sie dieses neuartige theoretische
Protokoll mit einem komplexen optischen
Aufbau kombinierten, zeigte die
Gruppe, daß es tatsächlich möglich ist, Veränderungen
in einem Quantensystem umzukehren.
Dazu verwendeten sie ultraschnelle
© Christine Schiansky @freowynart
Die Zeitentwicklung eines Systems umzukehren kann schon kompliziert genug sein,
wenn man den Anfangszustand des Systems kennt und weiß wie sich dieses entwickelt.
PhysikerInnen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
konnten jedoch nun zeigen, daß sich die Zeitentwicklung eines Quantensystems auch ohne
dieses Wissen umkehren läßt. Nicht einmal wie genau man mit dem System interagieren
muß um die Entwicklung umzukehren, muß bekannt sein.
optische Faserkomponenten und ein Freespace-Interferometer,
das als Quantenswitch
angeordnet war.
Es gelang ihnen, die zeitliche Entwick -
lung eines einzelnen Photons umzukehren,
ohne zu wissen, wie sich dieses in der Zeit
verändert hatte oder was dessen Anfangs- und
Endzustand war.
„Bemerkenswert ist, daß für dieses Protokoll
nicht einmal die Art der Wechselwirkungen
mit dem Quantensystem bekannt sein
muß“, sagt Peter Schiansky, Erstautor der
Ver öffentlichung in „Optica“.
»Österreich Journal« – https://kiosk.oesterreichjournal.at
Ihr universelles Rewinding-Protokoll ist
in seiner Laufzeit optimal effizient und kann
so erweitert werden, daß es mit beliebig ho -
her Wahrscheinlichkeit erfolgreich ist. Der
Nachweis, daß Rewinding-Protokolle in die -
ser allgemeinen Form existieren und diese
technisch umsetzbar sind, trägt zu unserem
Verständnis der grundlegenden Quantenmechanik
bei. Künftig könnten die Protokolle
ein nützliches Werkzeug in Quanteninformationstechnologien
werden.
n
https://www.univie.ac.at/
https://www.oeaw.ac.at/