Gruppen, som leds av Caltechs biträdande professor i fysik Yu-xi Liu och MIT:s professor Alexej Jerschow, beskriver det nya konceptet i en artikel som publiceras i augusti 2019 av Nature Physics.
"Med tekniken som demonstreras i vår artikel kan vi direkt mäta den tidiga kvantdynamiken i en stor klass av kvantsystem," säger Liu och tillägger, "Detta liknar i andan idén med time-lapse-fotografering; förutom i vårt fall , tidsreseeffekten gäller inte människor eller föremål utan kvantinformation."
Forskarna insåg sina tidsresande kvantsensorer baserade på ett fenomen som kallas kvantentanglement. Kvantintrassling uppstår när två eller flera partiklar är sammanlänkade på ett sådant sätt att tillståndet för en partikel inte kan beskrivas oberoende av den andras tillstånd. Detta koncept är kontraintuitivt mot vår vardagliga erfarenhet av klassisk fysik men har upprepade gånger bekräftats av experiment.
I den nya forskningen drog Liu och kollegor fördel av kvantintrassling för att skapa ett slags kvantsuddgummi som gjorde det möjligt för dem att hämta information om den tidiga dynamiken i ett visst kvantsystem.
För att illustrera konceptet använde forskarna ett kvantsystem gjord av två fångade, snurrande partiklar (atomer), som förkortas som kvantbitar eller qubits. Spinn av dessa två qubits var intrasslade, och tidsutvecklingen av deras spins påverkades av närvaron av ett magnetfält.
Vid en exakt kontrollerad tidpunkt slog forskarna på magnetfältet och lät det påverka snurrarna för de två qubitarna. Detta hade effekten av att förvränga kvantinformationen som lagrades i snurren. Därefter implementerade forskarna kvantsuddgummit, som återställde kvantinformationen från den tidiga tiden innan magnetfältet applicerades.
Förmågan att resa tillbaka i tiden – om än bara med avseende på kvantinformation – öppnar upp för spännande nya möjligheter för att förstå en mängd olika fysiska processer. Tekniken kan till exempel användas för att undersöka det tidiga beteendet hos kemiska reaktioner, studera komplicerade energiavledningsmekanismer och till och med avslöja grundläggande egenskaper hos svarta hål.
Liu är särskilt entusiastisk över tillämpningarna av de nya tidsresande kvantsensorerna inom den kondenserade materiens fysik. "Det är ganska fantastiskt att tänka på att tillämpa kraften i kvanttidsresor på ett fast ämne med biljoner atomer, där många olika kvantfenomen ständigt händer", säger han. "Ett nytt sätt att se över utvecklingen av dessa fenomen kan avslöja dold fysik som vi normalt inte ser."
