Tijdmachine ontwikkeld op kwantumniveau

Natuurkundigen bouwden een werkende tijdmachine op kwantumschaal, althans een gelijkwaardige simulatie daarvan.

Gesloten tijdachtige curve
Op kwantumniveau bestaat er geen tijd. Tijdreizen gebeurt op kwantumniveau voortdurend. Een positron bijvoorbeeld, is een elektron dat terugreist in de tijd. Ook de algemene relativiteitstheorie laat oplossingen toe die, anders dan veel mensen denken, tijdreizen. Wel moeten deze “tijdreizen” beginnen en eindigen op hetzelfde punt: een gesloten tijdachtige curve, zegt een natuurkundige.

Grootvaderparadox
Tijdreizen leidt bijvoorbeeld tot de grootvaderparadox. Stel, je reist terug in de tijd en vermoordt je grootvader. Dan kan je niet bestaan. Maar als je niet bestond, had je grootvader nog geleefd, en was jij geboren, met de fatale gevolgen van dien voor je grootvader.

Biljartbal botst met zichzelf
In de jaren ’90 ontdekten kosmologen, dat een gesloten tijdachtige curve wordt beschermd tegen tijdreizen. Als een klassiek object een gesloten tijdloop zou binnentreden, botst het direct met een toekomstige versie van zichzelf. Kwantummechanische objecten kennen dit probleem niet. De natuurkundige David Deutsch liet zien [2] dat deeltjes niet alleen een tijdachtige gesloten curve binnen kunnen treden, maar dat op een manier kunnen doen die het onmogelijk maken om sneller dan het licht informatie door te seinen. Hiermee worden grootvaderparadoxen voorkomen, hoewel op lokaal niveau oorzaak en gevolg door elkaar worden gehaald.

Dit resultaat betekent dat het mogelijk is om deeltjes in gesloten tijdlussen gebruikt kunnen worden om zogeheten niet-deterministische polynomiale (NP-volledige) problemen op te lossen in polynomiale tijd. In lekentaal: in eindige tijd onoplosbare problemen, zoals het handelsreizigersprobleem, kunnen nu wel berekend worden. Ook kan Heisenbergs onzekerheidsprincipe omzeild worden.

Het is tot nu toe nog niemand gelukt om een gesloten tijdcurve a la Deutsch te creëren. Martin Ringbauer en enkele collega’s van de universiteit van Queensland in Australië zeggen nu dat het niet nodig is om een gesloten tijdachtige curve te creëren om te testen hoe het zich gedroeg[1].

Tijdmachinesimulator
In plaats hiervan hebben deze onderzoekers een kwantumsysteem gecreëerd dat het gedrag van een foton, dat door een gesloten tijdlus met zijn eerdere versie wisselwerkt, nabootst. Met andere woorden: de onderzoekers bouwden een tijdmachinesimulator.
De tijdmachinesimulator bestaat uit een foton dat met een oudere versie van zichzelf wisselwerkt. Dat komt overeen met een enkel foton dat met een ander foton, dat gevangen zit in een gesloten tijdlus, wisselwerkt. Dit kon weer door een foton te splitsen in twee fotonen. Deze delen dezelfde golffunctie.

Deze kwantumverstrengelde fotonen worden door een optisch circuit gestuurd, dat ze een instelbare polarisatie meegeeft.  Verderop in de installatie raken ze een straalsplitser die gedeeltelijk polariseert. Door de experimentele parameters juist in te stellen, kan dit verstrengelde systeem het gedrag van een foton, dat met een oudere versie van zichzelf wisselwerkt, nabootsen. Het resultaat is te zien aan de uitgaande lichtbundel.

Baanbrekende resultaten
Volgens Ringbauer en zijn coauteurs kunnen ze met hun meetopstelling kwantumstaten meten die op een andere manier niet te meten zijn. Ook bevestigen ze een voorspelling van Deutsch, dat de “tijdmachine” in overeenkomst is met de relativiteitstheorie. Er treden geen grootvaderparadoxen op. De onderzoekers denken dat ze daarom de relaties tussen kwantummechanica en de relativiteitstheorie beter kunnen bestuderen. En hiermee de ultieme droom van veel natuurkundigen – het oplossen van het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica – vervullen.

Bronnen
1.  Ringbauer et al., Experimental Simulation of Closed Timelike Curves, ArXiv preprint server, 2015
2. D. Deutsch, Quantum mechanics near closed timelike lines, Phys. Rev. D 44, 3197, 1997