Physiker beschäftigen sich seit langem mit dem „Pfeil der Zeit“ – der Beobachtung, dass sich die Zeit in unserem täglichen Leben nur in eine Richtung bewegt, von der Vergangenheit in die Zukunft. Während die klassische Physik nahelegt, dass die meisten Gesetze genauso gut rückwärts wie vorwärts funktionieren sollten, schreibt der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik vor, dass sich Systeme auf natürliche Weise in Richtung Unordnung (Entropie) bewegen und so eine Einbahnstraße für die Zeit schaffen.
Im Bereich der Quantenmechanik ändern sich jedoch die Regeln. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Wissenschaftler durch die Manipulation von Quantensystemen die statistische Signatur der Zeit effektiv „umkehren“ können und so den Messvorgang möglicherweise in eine Energiequelle für Quantenbatterien verwandeln können.
Nachahmung der Zeitumkehr im Quantenbereich
In einem Quantensystem wird die Richtung der Zeit nicht durch eine Uhr gemessen, sondern durch den Vergleich physikalischer Messungen mit mathematischen Vorhersagen. Wenn diese Messungen einem bestimmten statistischen Muster folgen, definieren wir das System als „vorwärts“.
Forscher am Los Alamos National Laboratory unter der Leitung von Luis Pedro García-Pintos haben eine Methode entwickelt, um dieses Muster umzukehren. Durch den Einsatz präziser Steuerungsinstrumente können sie den Veränderungen, die während einer Messung auftreten, entgegenwirken.
„Wenn die Messung mein System nach oben treiben würde, kann ich es wieder nach unten bringen“, erklärt García-Pintos. „Indem wir den effektiven Messungen entgegenwirken, können wir Flugbahnen erzeugen, die eher damit übereinstimmen, dass der Prozess rückwärts statt vorwärts verlaufen ist.“
Im Wesentlichen reist das Team nicht buchstäblich in die Vergangenheit; Vielmehr entwickeln sie die Entwicklung des Systems rückwärts, sodass es sich so verhält, als würde es rückwärts laufen.
Von der Messung zur Energiegewinnung
Dieser Durchbruch hat erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantenbatterien und Miniatur-Quantenmaschinen. In der Standardquantenmechanik wird durch die Messung eines Systems – beispielsweise die Überprüfung des Spins eines Qubits – Energie in dieses System eingebracht. Normalerweise wird diese Energie als Nebeneffekt oder Störung des empfindlichen Quantenzustands angesehen.
Die neue Technik verändert die Beziehung zwischen Messung und Energie:
– Indirekte Messung: Durch die indirekte Messung einer Eigenschaft können Forscher ein Qubit beobachten, ohne seinen fragilen Zustand zu zerstören.
– Mikrowellenmanipulation: Mithilfe der Signale dieser Messungen können Forscher Mikrowellenstrahlungsimpulse anwenden, um das System zu manipulieren.
– Energieumleitung: Anstatt zuzulassen, dass die Messenergie verloren geht oder Störungen verursacht, leitet diese Methode sie um und nutzt effektiv die Messung als thermodynamische Ressource.
Der thermodynamische Realitätscheck
Auch wenn das Konzept der „Zeitumkehr“ wie Science-Fiction klingt, verstößt es nicht gegen die Grundgesetze der Physik. Experten weisen darauf hin, dass dieser Prozess streng an die Gesetze der Thermodynamik gebunden ist.
Mauro Paternostro von der Queen’s University Belfast weist darauf hin, dass die Reduzierung von Unordnung (die Umkehrung des Zeitpfeils) eine externe Energiezufuhr erfordert. Um die Kosten zu erklären, verwendet er eine einfache Analogie:
Stellen Sie sich ein unordentliches Kinderzimmer vor. Um die Unordnung zu reduzieren und das Chaos „umzukehren“, müssen Sie Arbeit und Energie aufwenden, um es zu beseitigen.
Im Quantenexperiment erfolgt die „Reinigung“ durch den externen Kontrollmechanismus (die Mikrowellenimpulse und Kontrollwerkzeuge). Die für die Umkehrung verwendete Energie ist größer oder gleich der gewonnenen Energie und stellt so sicher, dass die Gesamtentropie des Universums immer noch zunimmt.
Der Weg in die Zukunft
Obwohl die Forschung einen bedeutenden theoretischen und experimentellen Sprung darstellt, ist sie noch keine universelle Lösung. Der aktuelle Aufbau ist sehr spezifisch und für kontrollierte Umgebungen konzipiert, was bedeutet, dass er möglicherweise nicht leicht auf alle Arten realer Quantensysteme übertragen werden kann.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wissenschaftler durch die Manipulation der statistischen Richtung von Quantenprozessen einen Weg gefunden haben, den störenden Messvorgang in eine kontrollierte Methode zur Energiegewinnung umzuwandeln und so den Weg für die Quantenstromspeicherung der Zukunft zu ebnen.
