Eine neue Technik für das Quantencomputing könnte unser gesamtes Modell der Zeitbewegung im Universum aufbrechen.
Folgendes schien lange wahr zu sein: Die Zeit arbeitet in eine Richtung. Die andere Richtung? Nicht so viel.
Das stimmt im Leben. (Dienstag rollt in Mittwoch, 2018 in 2019, Jugend in Alter.) Und es ist wahr in einem klassischen Computer. Was bedeutet das? Für ein bisschen Software, die auf Ihrem Laptop ausgeführt wird, ist es viel einfacher vorherzusagen, wie sich ein komplexes System in Zukunft bewegen und entwickeln wird, als seine Vergangenheit wiederherzustellen. Eine Eigenschaft des Universums, die Theoretiker als "kausale Asymmetrie" bezeichnen, erfordert, dass viel mehr Informationen - und viel komplexere Berechnungen - erforderlich sind, um sich durch die Zeit in eine Richtung zu bewegen, als um sich in die andere zu bewegen. (In der Praxis ist es einfacher, rechtzeitig voranzukommen.)
Dies hat reale Konsequenzen. Meteorologen können anhand der heutigen Wetterradardaten einigermaßen gut vorhersagen, ob es in fünf Tagen regnen wird. Aber fragen Sie dieselben Meteorologen, ob es vor fünf Tagen mit den heutigen Radarbildern geregnet hat? Das ist eine viel schwierigere Aufgabe, die viel mehr Daten und viel größere Computer erfordert.
Informationstheoretiker vermuteten lange Zeit, dass kausale Asymmetrie ein grundlegendes Merkmal des Universums sein könnte. Bereits 1927 argumentierte der Physiker Arthur Eddington, dass diese Asymmetrie der Grund ist, warum wir uns nur durch die Zeit vorwärts und niemals rückwärts bewegen. Wenn Sie das Universum als einen riesigen Computer verstehen, der ständig seinen Weg durch die Zeit berechnet, ist es immer einfacher - weniger ressourcenintensiv -, dass Dinge vorwärts (Ursache, dann Wirkung) als rückwärts (Wirkung, dann Ursache) fließen. Diese Idee wird als "Pfeil der Zeit" bezeichnet.
Ein neues Papier, das am 18. Juli in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurde, eröffnet jedoch die Möglichkeit, dass dieser Pfeil ein Artefakt der Berechnung im klassischen Stil ist - etwas, das uns nur aufgrund unserer begrenzten Werkzeuge als der Fall erschien.
Ein Forscherteam fand heraus, dass unter bestimmten Umständen die kausale Asymmetrie in Quantencomputern verschwindet, die auf völlig andere Weise berechnen. Im Gegensatz zu klassischen Computern, in denen Informationen in einem von zwei Zuständen (1 oder 0) gespeichert sind, werden bei Quantencomputern Informationen gespeichert in subatomaren Teilchen, die einigen bizarren Regeln folgen und so kann jeder gleichzeitig in mehr als einem Zustand sein. Und noch verlockender ist, dass ihre Arbeit den Weg in die zukünftige Forschung weist, die zeigen könnte, dass kausale Asymmetrie im Universum überhaupt nicht existiert.
Wie ist das?
Sehr geordnete und sehr zufällige Systeme sind leicht vorherzusagen. (Stellen Sie sich ein Pendel vor - geordnet - oder eine Gaswolke, die einen Raum füllt - ungeordnet.) In diesem Artikel untersuchten die Forscher physikalische Systeme, die einen Grad an Unordnung und Zufälligkeit bei Goldlöckchen aufwiesen - nicht zu wenig und nicht zu viel. (So etwas wie ein sich entwickelndes Wettersystem.) Diese sind für Computer sehr schwer zu verstehen, sagte die Co-Autorin der Studie, Jayne Thompson, eine Komplexitätstheoretikerin und Physikerin, die Quanteninformationen an der National University of Singapore studiert.
Als nächstes versuchten sie, die Vergangenheit und Zukunft dieser Systeme mithilfe theoretischer Quantencomputer (ohne physische Computer) herauszufinden. Diese Modelle von Quantencomputern verbrauchten nicht nur weniger Speicher als die klassischen Computermodelle, sie konnten auch durch die Zeit in beide Richtungen laufen, ohne zusätzlichen Speicher zu verbrauchen. Mit anderen Worten, die Quantenmodelle hatten keine kausale Asymmetrie.
"Während es klassisch möglich ist, dass der Prozess in eine der Richtungen geht", sagte Thompson gegenüber Live Science, "zeigen unsere Ergebnisse, dass der Prozess" quantenmechanisch "mit sehr wenig Speicher in beide Richtungen gehen kann."
Und wenn das in einem Quantencomputer stimmt, stimmt das auch im Universum, sagte sie.
Die Quantenphysik ist die Untersuchung des seltsamen probabilistischen Verhaltens sehr kleiner Teilchen - aller sehr kleinen Teilchen im Universum. Und wenn die Quantenphysik für alle Teile des Universums gilt, gilt dies auch für das Universum selbst, auch wenn einige seiner seltsameren Effekte für uns nicht immer offensichtlich sind. Wenn also ein Quantencomputer ohne kausale Asymmetrie arbeiten kann, kann das Universum dies auch.
Eine Reihe von Beweisen darüber zu sehen, wie Quantencomputer eines Tages funktionieren werden, ist natürlich nicht dasselbe wie den Effekt in der realen Welt zu sehen. Aber wir sind noch weit von Quantencomputern entfernt, die so weit fortgeschritten sind, dass sie die in diesem Artikel beschriebenen Modelle ausführen können.
Laut Thompson beweist diese Untersuchung nicht, dass es nirgendwo im Universum eine kausale Asymmetrie gibt. Sie und ihre Kollegen haben gezeigt, dass es in einer Handvoll Systeme keine Asymmetrie gibt. Aber es ist möglich, sagte sie, dass es einige Quantenmodelle gibt, bei denen eine kausale Asymmetrie auftritt.
"In diesem Punkt bin ich Agnostiker", sagte sie.
Zur Zeit.
Der nächste Schritt für diese Forschung sei die Beantwortung dieser Frage - um herauszufinden, ob in einem Quantenmodell eine kausale Asymmetrie besteht.
Dieses Papier beweist nicht, dass es keine Zeit gibt oder dass wir eines Tages in der Lage sein werden, rückwärts durch sie zu schlüpfen. Es scheint jedoch zu zeigen, dass einer der Schlüsselbausteine unseres Verständnisses von Zeit, Ursache und Wirkung nicht immer so funktioniert, wie Wissenschaftler es lange angenommen haben - und möglicherweise überhaupt nicht so funktioniert. Was das für die Form der Zeit und für den Rest von uns bedeutet, ist immer noch eine offene Frage.
Der eigentliche praktische Vorteil dieser Arbeit, sagte sie, sei, dass Quantencomputer in der Lage sein könnten, ohne ernsthafte Schwierigkeiten problemlos Simulationen von Dingen (wie dem Wetter) in beide Richtungen im Laufe der Zeit durchzuführen. Das wäre eine grundlegende Veränderung gegenüber der gegenwärtigen Welt der klassischen Modellierung.
