Natuurkundigen hebben aangetoond dat lichtdeeltjes zowel vooruit als achteruit in de tijd kunnen reizen. Die eigenschap kan nuttig zijn voor de berekeningen van quantumcomputers.

Een experiment waarbij een lichtdeeltje zowel vooruit als achteruit in de tijd reist, laat nog maar eens zien hoe bizar de quantumwereld is. Hoewel dit experiment, uitgevoerd door twee onderzoeksgroepen, geen direct praktisch nut heeft, kan het implicaties hebben voor quantumcomputers. Ook kan het helpen bij de ontwikkeling van een theorie over quantumzwaartekracht.

Een ei ontkoken

Hoewel ons gevoel zegt dat de tijd één richting op stroomt, zijn de wetten van de quantumfysica onverschillig in beide tijdsrichtingen. Je kunt een ei niet ‘ontkoken’, maar je kunt de toestand van een foton dat door een kristal reist wel omkeren. Wiskundig gezien komt dat neer op een foton dat terugreist in de tijd.

Waarom anders nadenken over tijd kan helpen de natuurkunde te verenigen
LEES OOK
Waarom anders nadenken over tijd kan helpen de natuurkunde te verenigen

Een andere eigenaardigheid van de quantumwereld is dat een quantumtoestand meerdere waarden tegelijk kan hebben. Dat noemen we een superpositie. Zo’n bijzondere gecombineerde toestand blijft intact totdat je de toestand meet – pas dan vervalt hij naar één waarde. Schrödingers kat is daarvan een beroemd voorbeeld. Bij dit gedachtenexperiment zit een kat in een doos, en bevindt hij zich in een quantumtoestand van zowel levend als dood totdat je de doos opent.

Vorig jaar combineerden quantumfysicus Giulio Chiribella van de Universiteit van Oxford en zijn collega’s deze twee ideeën. Ze rekenden uit hoe een superpositie eruit ziet van processen die zowel vooruit als achteruit gaan in de tijd. Ze noemen het een ’quantumtijdflip’.

Quantumtijdflip

’In zekere zin kun je zeggen dat de quantumtijdflip de kat van Schrödinger is voor de richting van de tijd’, zegt Chiribella. ‘In plaats van levend of dood, gaat het om een vooruit of achteruit bewegend proces. Een quantumdeeltje dat in een superpositie verkeert, bepaalt welke van de twee het is. Net als de kat zou je uiteindelijk in een superpositie van voorwaarts én achterwaarts terechtkomen. Wat ook betekent dat je noch voorwaarts noch achterwaarts in de tijd beweegt. Of dat je tegelijkertijd zowel voorwaarts als achterwaarts beweegt.’

‘Dit is helemaal niet zo gek, als je erover nadenkt’, zegt theoretisch natuurkundige Eric Lutz van de Universiteit van Stuttgart in  Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Quantummechanica staat een superpositie toe – waarom geen superpositie van [tijdrichtingen]?’

Chiribella en zijn collega’s hebben nu experimenteel aangetoond dat een quantumtijdflip echt mogelijk is. Het team splitste een foton, een lichtdeeltje, in een superpositie van twee afzonderlijke paden die door een kristal gaan. Het ene pad ging van rechts naar links, en het andere van links naar rechts. Terwijl het foton via het pad van rechts naar links normaal reist, beïnvloedt het pad van links naar rechts door het kristal de polarisatie, of oriëntatie, van het foton op precies dezelfde manier als wanneer het achterwaarts in de tijd zou gaan.

Door de fotonsplitser kunnen de onderzoekers niet zien welke weg het foton heeft afgelegd, omdat het zich in een superpositie van beide paden bevindt. Maar aan het eind van het lichtpad recombineren zij het gesplitste foton en meten de polarisatie. Door dit experiment vaak genoeg te herhalen, kon het team statistisch aantonen dat het foton in een superpositie van tijdsprocessen moet zijn geweest.

Quantumtijdomkering

Natuurkundige Teodor Strömberg van de Universiteit van Wenen, Oostenrijk, en zijn collega’s hebben ook een soortgelijke opstelling gebruikt om een quantumtijdomkering aan te tonen. Beide teams wilden zien waarvoor die gebruikt kon worden.

In 2021 bedacht het team van Chiribella een experiment waarbij een rekentaak in beide tijdsrichtingen werd berekend. ‘We lieten [daarmee] zien dat als je een proces en zijn tijdomkering in een superpositie kunt brengen, er rekentaken zijn waarvoor je beter kunt presteren dan als de tijd in een bepaalde richting stroomt’, zegt Strömberg.

Het is weliswaar niet meteen duidelijk waarvoor zo’n timewarp-rekentaak nuttig is. Maar dat gold ook voor het belang van superpositie toen het werd ontdekt. Dat speelt nu een cruciale rol bij quantumcomputers, zegt Lutz. ‘Het vooruitzicht om iets soortgelijks te doen, met een superpositie van voorwaartse en achterwaartse tijdsrichtingen, is opwindend.’

Onopgeloste probleem

Ook zou het kunnen helpen om een van de grootste onopgeloste problemen in de natuurkunde aan te pakken, namelijk het combineren van quantummechanica met ons begrip van de zwaartekracht. Daarvoor moeten we een quantumtheorie van de zwaartekracht creëren, zegt theoretisch natuurkundige  Lucien Hardy van het Perimeter-instituut in Canada. ‘Deze nieuwe theorie van quantumzwaartekracht zou naar verwachting causale onbepaaldheid hebben’, zegt hij. Dat betekent dat superposities van verschillende tijdsrichtingen een rol spelen. ‘Hierdoor denken we zorgvuldiger na over die concepten: over wat we eigenlijk bedoelen met de richting van de tijd.’