Quantencomputer erreicht Zeitumkehr, fordert Thermodynamik heraus

Physiker erzeugten erfolgreich einen Quantenzustand, der sich entgegen dem thermodynamischen Zeitpfeil bewegt. Dies demonstrierten sie an 2- und 3-Qubit-Quantencomputern. Es könnte Quantencomputer präziser machen und Fehler sowie Rauschen reduzieren.

Irreversibilität und Zeitpfeil

Wie entsteht Irreversibilität aus scheinbar zeit-symmetrischen Naturgesetzen? Wissenschaftler suchen seit Jahren die Antwort.

Im Rahmen klassischer statistischer Mechanik ist das Problem mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik verknüpft: Entropie in einem geschlossenen System steigt, wenn Energie umgewandelt wird oder Materie sich frei bewegt.

2018 berichteten russische Forscher am Moscow Institute of Physics and Technology über Verletzung des 2. Hauptsatzes durch ein Maxwell'sches Dämon-Gerät. Nun gingen sie einen anderen Weg: Sie entwickelten einen Quantenzustand, der sich entgegen dem thermodynamischen Zeitpfeil bewegt.

Das Team bewertete zunächst die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron im Vakuum instinktiv in seine jüngere Vergangenheit zurückreist. Ergebnis: Beobachtet man 10 Milliarden neu lokalisierte Elektronen pro Sekunde über die gesamte Lebensdauer des Universums, zeigt sich die umgekehrte Entwicklung des Elektronenzustands nur einmal.

Selbst dann reist das Teilchen nicht mehr als eine Nanosekunde in die Vergangenheit. Deshalb beobachten wir keine Dinge in umgekehrter Zeit – das würde eine unvorstellbare Teilchenzahl auf weit größeren Zeitskalen erfordern.

Referenz: arXiv:1712.10057 | MIPT

Der Vier-Stufen-Experiment

Forscher analysierten den Zustand eines Quantencomputers aus 2- und 3-Qubits.

1. Ordnung: Initial ist jedes Qubit im Grundzustand (Null).
2. Degradation: Start eines «Evolutionsprogramms», das Qubit-Zustände in Einsen, Nullen oder beides gleichzeitig ändert.
3. Zeitumkehr: Ein in dieser Studie entwickelter einzigartiger Algorithmus ändert den Quantencomputer so, dass er sich in umgekehrter Richtung bewegt – vom Chaos zur Ordnung.
4. Regeneration: Das Evolutionsprogramm wird erneut gestartet, um die Qubit-Zustände in die Vergangenheit zurückzuspulen.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Der 2-Qubit-Quantencomputer kehrte in 85 % der Fälle in seinen Anfangszustand zurück, der 3-Qubit zeigte mehr Fehler mit 50 % Erfolgsrate. Fehler resultierten aus Defekten im bestehenden Quantencomputer. Mit fortschreitenden Quantencomputing-Techniken wird die Fehlerquote voraussichtlich deutlich sinken.

Ausblick

Dieser Zeitumkehr-Algorithmus könnte präzisere Quantencomputer entwickeln. Künftig könnte er modifiziert werden, um Software für Quantencomputer zu testen und Fehler/Rauschen zu reduzieren.

Die in dieser Studie entwickelten Schemata durchliefen Zustandskomponenten sequenziell, nutzten aber Quantenparallelismus nicht voll aus. Die nächste Frage: Ist ein Quantenalgorithmus möglich, der Zeitumkehr effizienter als mit O(N) elementaren Gattern durchführt?