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Haben Physiker ein Qubit erzeugt, das sich zugleich vorwärts und rückwärts entwickelt?
Kann ein Quantensystem zugleich in zwei entgegengesetzte Richtungen seiner Entwicklung laufen? Eine neue theoretische Arbeit legt nahe, dass ein Photonenexperiment aus dem Jahr 2018 bereits ein solches „Zeitqubit“ hervorgebracht haben könnte. Die damaligen Messungen bestätigen wichtige Voraussetzungen, doch eine echte Zeitumkehr und die vollständige Steuerung dieses Qubits sind damit nicht nachgewiesen.
Seoul (Südkorea). In der Alltagswelt vergeht Zeit nur in eine Richtung, während viele Gleichungen der Quantenphysik grundsätzlich umkehrbare Entwicklungen zulassen. Dabei lässt sich ein quantenmechanischer Zustand durch eine gezielte Wechselwirkung verändern oder unter bestimmten Voraussetzungen zu einer früheren Konfiguration zurückführen. Die Zeit selbst muss dafür keineswegs rückwärts laufen.
Ein gewöhnliches Qubit, die Basiseinheit der Quanteninformation, kann nicht nur zwei Zustände annehmen, sondern auch eine Überlagerung beider Zustände bilden. Das Konzept eines Zeitqubits überträgt diese Idee auf zwei entgegengesetzte Richtungen der Entwicklung unter einer bestimmten Wechselwirkung. Bisher war fraglich, ob sich dieses theoretische Konzept in einer konkreten Anordnung mit Lichtteilchen umsetzen lässt.
Der Physiker Prof. Tai Hyun Yoon von der Korea University (KU) hat nun Messdaten früherer Photonenexperimente neu interpretiert, an denen er selbst beteiligt war. Sein noch nicht fachbegutachteter Forschungs-Preprint beschreibt, wie bei der Erzeugung von Photonenpaaren gegensätzliche Entwicklungsrichtungen entstehen und überlagert werden könnten. Ausgangspunkt ist ein theoretischer Vorschlag aus dem Jahr 2025, bei dem ein Teilchen zwei Wege mit entgegengesetzten Magnetfeldern durchläuft.
In dem bereits 2018 verwendeten Aufbau erzeugen zwei spezielle Kristalle mithilfe eines gemeinsamen Pump-Lasers jeweils Paare von Lichtteilchen. Ein Photon jedes Paares wird als Signalphoton beobachtet, während sein Partner, das sogenannte Idler-Photon, grundsätzlich Aufschluss über die Herkunft des Paares geben könnte. Ein weiterer gemeinsamer Laser regt die Paarbildung gezielt an und ermöglicht die Kontrolle der Lichtphase.
Nach Yoons Berechnungen kehrt sich das Vorzeichen des angeregten Anteils der Wechselwirkung um, wenn die relative Lichtphase zwischen den beiden Erzeugungswegen um 180 Grad verschoben wird. Für diesen kontrollierten Teil der Quantendynamik entspricht das einer Entwicklung in entgegengesetzter Richtung. Der spontane Anteil der Photonenerzeugung bleibt hingegen unverändert, sodass weder der gesamte Vorgang noch die physikalische Zeit rückwärts abläuft.
Zwei entgegengesetzte Entwicklungen allein reichen noch nicht für ein Zeitqubit. Dazu müssen beide Möglichkeiten auch als kohärente Überlagerung bestehen können. Wäre anhand des Partnerphotons eindeutig festzustellen, welcher Kristall das Paar erzeugt hat, würde diese Information die Überlagerung und damit die Interferenz der Signalphotonen unterdrücken.
Das gemeinsame kohärente Laserlicht vermindert nach dem neuen Modell diese Unterscheidbarkeit, ohne dass die beiden Partnerphotonen physisch zusammengeführt werden müssen. Dadurch können die beiden Entstehungswege interferieren. Der Autor deutet sie nun als zwei Zweige einer gegensätzlichen, kontrollierbaren Quantenentwicklung.
Im ursprünglichen Experiment von 2018 zeigten die Signalphotonen bereits ausgeprägte Interferenzmuster. Deren Kontrast erreichte nach Abzug des Detektorhintergrunds bei geeigneter Justierung Werte nahe 99 Prozent. Spätere Untersuchungen erfassten zudem, wie die Sichtbarkeit der Muster mit der Stärke des anregenden Laserlichts zusammenhängt. Diese Messwerte stützen zentrale Elemente der neuen Beschreibung, belegen aber noch keine vollständig ausgeführte Steuerung eines Zeitqubits.
Der neue Preprint verknüpft ältere experimentelle Messkurven mit einer mathematischen Beschreibung des Zeitqubits. Er enthält daneben Berechnungen für eine präzise Präparation, Veränderung und Auslesung solcher Qua