Il viaggio nel tempo all’indietro è ancora nel regno della fantascienza, ma la manipolazione dell’entanglement quantistico (con teletrasporto) consente agli scienziati di progettare esperimenti che lo simulano.

 

 

 

Hai mai desiderato di poter tornare indietro nel tempo e cambiare le tue decisioni? Se solo la conoscenza di oggi potesse viaggiare indietro nel tempo con noi, potremmo modificare le nostre azioni a nostro vantaggio.

Per ora, questo tipo di viaggio nel tempo è roba da finzione cinematografica, ma un trio di ricercatori ha dimostrato che manipolando l’entanglement quantistico, si può, almeno, progettare esperimenti che lo simulano.

Scrivendo su Physical Review Letters, David Arvidsson-Shukur dell’Hitachi Cambridge Laboratory, Regno Unito; Aidan McConnell dell’Università di Cambridge, Regno Unito e Nicole Yunger Halpern del National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti e dell’Università del Maryland propongono un set-up in cui uno sperimentatore invia informazioni indietro nel tempo per cambiare retroattivamente – in effetti – le proprie azioni in modo da produrre misurazioni ottimali.

Curiosamente, il trio rivela che tale viaggio nel tempo simulato in sistemi entangled può facilitare vantaggi fisici che sarebbero impossibili da ottenere in sistemi puramente classici.

La scienza delle misure quantistiche

Mentre l’effettivo viaggio nel tempo a ritroso è ipotetico, le versioni della meccanica quantistica sono state proposte e simulate sperimentalmente.

Un ingrediente cruciale di queste simulazioni è il teletrasporto, in cui uno stato della fase intermedia dell’esperimento viene effettivamente rimandato all’inizio. Affinché ciò sia possibile, gli Stati devono essere intrecciati. In altre parole, devono condividere un tipo di connessione quantistica che sorge tra due (o più) particelle in modo tale che lo stato di una non possa essere definito indipendentemente dalle altre.

Poiché queste simulazioni di viaggi nel tempo si basano sulla meccanica quantistica, consentono ai ricercatori di porre domande significative sulla natura e sui vantaggi, se ce ne sono, dei sistemi quantistici.

Nel nuovo lavoro, Arvidsson-Shukur, McConnell e Yunger Halpern fanno proprio questo, indagando sui vantaggi che le simulazioni del viaggio nel tempo all’indietro possono avere per la metrologia quantistica, un campo della fisica che utilizza la meccanica quantistica per effettuare misurazioni altamente precise.

Un tipico problema di metrologia quantistica si occupa di stimare alcuni parametri sconosciuti di un sistema o di un processo utilizzando sonde meccaniche quantistiche.

Una volta che le sonde sono state preparate e fatte interagire con il sistema, il modo in cui lo stato delle sonde si trasforma codificherà le informazioni sul parametro sconosciuto.

L’obiettivo è quello di apprendere quante più informazioni possibili per sonda.

La misurazione post-selettiva può aiutare in questo. In questo processo, lo sperimentatore effettua una misurazione e poi, a seconda del risultato, sceglie di includere o escludere determinati risultati sperimentali dall’analisi. In questo modo si concentrano le informazioni apprese per sonda.

In precedenza, Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern e i loro collaboratori hanno dimostrato che in un sistema quantistico, la scelta di uno stato ottimale della sonda di ingresso può consentire a uno sperimentatore di ottenere più informazioni per sonda di quanto sia possibile classicamente.

Tuttavia, in genere lo sperimentatore apprende quale stato di input sarebbe stato ottimale solo dopo che si è verificata l’interazione. In uno scenario senza viaggi nel tempo, questo non va bene.

Vantaggio del viaggio nel tempo simulato

Se, tuttavia, lo sperimentatore teletrasporta lo stato di input ottimale indietro nel tempo attraverso la manipolazione dell’entanglement, il trio mostra che questo potrebbe produrre nuovi vantaggi operativi.

Nella loro proposta, uno sperimentatore prepara una coppia di bit quantistici massimamente entangled, o qubit, chiamati A e C, più un qubit aggiuntivo come sonda. L

‘obiettivo è misurare la forza di un’interazione sconosciuta utilizzando la sonda. Inizialmente, lo sperimentatore non è a conoscenza dello stato di input ottimale per A.

Nella prima fase, la sonda e il qubit A interagiscono. Le informazioni sul parametro sconosciuto dell’interazione sono codificate nello stato della sonda. In una fase intermedia, tuttavia, lo sperimentatore misura lo stato del qubit A. Questa misurazione rivela informazioni sullo stato ottimale ancora sconosciuto.

Successivamente, lo sperimentatore usa queste informazioni per preparare un qubit ausiliario D in questo stato ottimale. Quindi, misurano lo stato congiunto dei qubit C e D.

Se questo stato congiunto non corrisponde allo stato congiunto iniziale di A e C, la misurazione viene scartata dall’analisi. In questo modo vengono individuati i casi in cui lo stato D preparato in modo ottimale si teletrasporta nello stato originale del qubit A.

Il teletrasporto implica che quando lo sperimentatore misura la sonda, registra un guadagno ottimale di informazioni anche se, inizialmente, non ha preparato la sonda nello stato ottimale.

Durante l’esperimento, lo sperimentatore scartava molte misurazioni non corrispondenti. Potrebbe sembrare costoso. Tuttavia, le misurazioni che lo sperimentatore conserva – quelle in cui il teletrasporto ha successo – hanno un elevato guadagno di informazioni per sonda. Nel complesso, le informazioni ottenute da alcune sonde ottimali superano le perdite se sommate su più prove.

Se il viaggio nel tempo sia fisicamente possibile o meno è ancora oggetto di dibattito. Tuttavia, gli sperimentatori possono utilizzare la meccanica quantistica e simulare il viaggio nel tempo in laboratorio per eseguire misurazioni più precise.

Come concludono Arvidsson-Shukur, McConnell e Yunger Halpern nel loro articolo, “Mentre le simulazioni [di viaggio nel tempo] non ti permettono di tornare indietro e alterare il tuo passato, ti permettono di creare un domani migliore risolvendo oggi i problemi di ieri”.