Onderzoekers van Caltech en het Massachusetts Institute of Technology hebben ontdekt hoe ze kwantumsensoren kunnen construeren die terug in de tijd kunnen bewegen, waardoor cruciale informatie over hun vroege dynamiek wordt onthuld.

De groep, geleid door Caltech's assistent-professor natuurkunde Yu-xi Liu en MIT's professor Alexej Jerschow, beschrijft het nieuwe concept in een artikel dat verschijnt in het augustusnummer van Nature Physics.

"Met de technologie die in ons artikel wordt gedemonstreerd, kunnen we de vroege kwantumdynamiek van een grote klasse kwantumsystemen direct meten", zegt Liu, en voegt eraan toe:"Dit is in de geest vergelijkbaar met het idee van time-lapse-fotografie; behalve in ons geval is het tijdreiseffect niet van toepassing op mensen of objecten, maar op kwantuminformatie."

De wetenschappers realiseerden hun tijdreizende kwantumsensoren op basis van een fenomeen dat kwantumverstrengeling wordt genoemd. Kwantumverstrengeling ontstaat wanneer twee of meer deeltjes zodanig met elkaar verbonden zijn dat de toestand van het ene deeltje niet onafhankelijk van de toestand van het andere deeltje beschreven kan worden. Dit concept is in strijd met onze dagelijkse ervaring met de klassieke natuurkunde, maar is herhaaldelijk bevestigd door experimenten.

In het nieuwe onderzoek maakten Liu en collega's gebruik van kwantumverstrengeling om een ​​soort kwantumgum te creëren waarmee ze informatie konden ophalen over de vroege dynamiek van een bepaald kwantumsysteem.

Om het concept te illustreren gebruikten de wetenschappers een kwantumsysteem dat bestaat uit twee gevangen, draaiende deeltjes (atomen), kortweg kwantumbits of qubits genoemd. De spins van deze twee qubits waren verstrengeld en de tijdsevolutie van hun spins werd beïnvloed door de aanwezigheid van een magnetisch veld.

Op een nauwkeurig gecontroleerd tijdstip schakelden de onderzoekers het magnetische veld in en lieten het de spins van de twee qubits beïnvloeden. Dit had tot gevolg dat de kwantuminformatie die in de spins was opgeslagen, werd versleuteld. Vervolgens implementeerden de onderzoekers de kwantumgum, die de kwantuminformatie herstelde van de vroege tijd voordat het magnetische veld werd toegepast.

Het vermogen om terug in de tijd te reizen – zij het alleen met betrekking tot kwantuminformatie – opent opwindende nieuwe mogelijkheden voor het begrijpen van een verscheidenheid aan fysieke processen. De techniek zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om het gedrag van chemische reacties in een vroeg stadium te onderzoeken, ingewikkelde mechanismen voor energiedissipatie te bestuderen en zelfs fundamentele eigenschappen van zwarte gaten bloot te leggen.

Liu is bijzonder enthousiast over de toepassingen van de nieuwe tijdreizende kwantumsensoren in de fysica van de gecondenseerde materie. ‘Het is behoorlijk verbazingwekkend om na te denken over het toepassen van de kracht van kwantumtijdreizen op een vaste stof met biljoenen atomen, waar voortdurend veel verschillende kwantumfenomenen plaatsvinden’, zegt hij. "Een nieuwe manier om de evolutie van deze verschijnselen opnieuw te bekijken zou verborgen natuurkunde kunnen onthullen die we normaal niet zien."