Zurück in den Ursprungszustand: Forscher lassen Zeit in einem Quantensystem rückwärts laufen

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass in einem geschlossenen System der Grad der Unordnung, Entropie genannt, stets zunimmt. Was kaputt geht, bleibt kaputt, wenn wir nicht aktiv von außen eingreifen und es reparieren. Ein auf die Erde gefallenes Glas hüpft beispielsweise nicht zurück auf den Tisch und setzt sich dabei zusammen – das sagt uns sowohl unser Verstand als auch unsere Erfahrung. Ein Photon jedoch hat diesen Prozess durchgemacht, es setzte sich in einer Rolle rückwärts wieder selbst instand.

Muss die Zeit wirklich immer vorwärts laufen?

Photon nahm seinen Ausgangszustand an

In der Quantenphysik ist es im Grunde nicht anders als in der regulären Physik: Die Zeit läuft einfach nicht rückwärts. Zwar kann es hier allein durch die Beobachtungen zu Veränderungen kommen, doch es gilt immer ein zeitlich geordneter Ablauf nach vorn. Forscher am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) konnten nun das Unmögliche möglich machen: Sie ließen die Zeit auf einem einzelnen Photon in einem Quantensystem rückwärts laufen und versetzten es damit zurück in seine Ausgangszustand, ohne dass sie diesen vorher kannten.

Die Basis bildet das Rewinding-Protokoll

Der Physiker Philip Walter leitete diese Forschungsarbeit und hangelte sich dabei an den theoretischen Überlegungen seines Kollegen Miguel Navascues entlang. Navascues erdachte das sogenannte Rewinding-Protokoll, das Philip nun mit seinem Team in der Praxis bestätigen konnte. Er nahm sich ein Photon vor, dessen Polarisation sich mehrfach geändert hatte, überlagerte die Entwicklung dieses Teilchens mit einer weiteren Polarisation und schaffte es, innerhalb des Quantensystems den Rückwärtsgang einzulegen. Alle Prozesse, die das betreffende Photon durchlaufen hatte, kehrten sich vor seinem Augen um, bis der erste Ausgangszustand erreicht war.

Selbstreparierende Quantenprozessoren?

Der Wissenschaftler bekennt: „Es war eines der schwierigsten Experimente, die wir je für ein einzelnes Photon aufgebaut haben.“ Und: „Wir haben damit eine Maschine gebaut, die eine Entwicklung, die wir nicht kennen, umkehren kann – durch ein allgemeines Rezept, das für diese Größe der Systeme, wie in unserem Fall die Veränderung der Polarisation von Photonen, allgemein gültig ist.“ Mit dem Rewinding-Protokoll könnten sich zukünftige Quantenprozessoren selbst reparieren, indem sie nicht gewünschte Entwicklungen rückgängig machen. Was darüber hinaus möglich ist, wird die Zeit zeigen.