Quantenphysik: Zeit scheint rückwärts zu laufen

In unserem Alltag erleben wir die Zeit als unumkehrbar: Eine Tasse fällt zu Boden und zerbricht, aber die Scherben setzen sich nie von selbst wieder zusammen. Auf der Quantenebene, der Welt der kleinsten Teilchen, gelten jedoch andere Regeln. Die fundamentalen physikalischen Gleichungen sind zeitsymmetrisch – sie funktionieren sowohl vorwärts als auch rückwärts gleichermaßen. Ein Team um Luis Pedro García-Pintos vom Los Alamos National Laboratory hat nun gezeigt, wie man diese Symmetrie nutzen kann, um Quantensysteme so zu steuern, dass sie sich verhalten, als würde die Zeit rückwärts laufen.

Die Forscher veröffentlichten ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Physical Review X. Sie entwickelten sogenannte Quantenkontrollprotokolle, die den „Zeitpfeil“ eines Quantensystems umformen können. Der Zeitpfeil beschreibt die Richtung, in die die Zeit natürlicherweise fließt. Normalerweise entsteht dieser Pfeil durch Messungen: Wenn man ein Quantensystem beobachtet, verändert man es zufällig – und dieser Prozess erzeugt eine Vorzugsrichtung. Die neue Methode kombiniert Messungen mit Rückkopplung, um diesen Effekt zu unterdrücken oder sogar umzukehren. Dadurch können die Wissenschaftler erreichen, dass die Entwicklung eines Quantensystems so aussieht, als würde die Zeit rückwärts ablaufen.

Konkret entwarfen die Forscher einen sogenannten Kontroll-Hamiltonoperator – eine präzise Abfolge von Feldern und Impulsen, die die Wirkung von Quantenmessungen nachahmt. In einem Rückkopplungssystem kann dieser Operator die Störungen durch Messungen aufheben, verstärken oder sogar überkompensieren. Das Ergebnis sind Zeitverläufe, die einem gedehnten, verschwommenen oder umgekehrten Zeitpfeil entsprechen.

Die Arbeit knüpft an ein berühmtes Gedankenexperiment aus dem 19. Jahrhundert an: den „Maxwellschen Dämon“. Darin sortiert ein hypothetischer Beobachter heiße und kalte Teilchen, was den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen scheint – der besagt, dass Unordnung (Entropie) in einem abgeschlossenen System immer zunimmt. (Spätere Physik zeigte, dass der zweite Hauptsatz nicht verletzt wird, wenn man alle thermodynamischen Kosten berücksichtigt.) Das Team aus Los Alamos hat nun einen Quanten-„Dämon“ realisiert, der Informationen über den Zustand eines Quantensystems und die Messergebnisse nutzt, um ähnlich ungewöhnliches Verhalten zu erzeugen – und den natürlichen Zeitpfeil effektiv umzukehren.

Die neuen Kontrollmethoden erlauben es auch, den Energiefluss in ein Quantensystem hinein und aus ihm heraus zu beeinflussen. Das könnte eine kontinuierliche Messmaschine antreiben, die nutzbare Energie direkt aus dem Überwachungsprozess gewinnt. In diesem Rahmen werden Quantenmessungen zu einer thermodynamischen Ressource, die Arbeit verrichten kann – etwa um einen anderen Quantenprozess anzutreiben oder Energie in einer Quantenbatterie zu speichern.

Als nächstes planen die Forscher, die messungsbasierten Kontrollprozesse experimentell mit supraleitenden Qubits zu demonstrieren. Diese Systeme ermöglichen schnelle Rückkopplung und hochempfindliche Detektion und wurden bereits genutzt, um Quantenversionen des Maxwellschen Dämons zu realisieren. Zukünftige Studien sollen die neuen Techniken auch für verbesserte Protokolle zur Quantenzustandspräparation nutzen.