A kvantum-időutazás úgy hangzik, mint egy csontig rágott írói fogás a Marvel mozis univerzumából, melyben bármi lehetséges és hihető, elég ha jelzőként elébiggyesztjük a “kvantum” szócskát. Ám akármilyen meglepő, a kvantum-időutazás egyre nagyobb teret nyer a kvantummechanika kutatásában. Minderről a New Scientist írt egy hosszabb cikket, amit lentebb röviden összefoglalunk.

Az időhurkok, tudományos nevükön zárt időszerű görbék (CTC-k), Einstein általános relativitáselméletéből származnak. Ez az elmélet azt feltételezi, hogy a téridő meghajlik, hurkokat alkot, amelyek lehetővé tehetik a múltba történő visszautazást. Mindehhez egy hatalmas, gyorsan forgó objektumra van “csak” szükség, vagyis egy fekete lyuk alkalmas is a feladatra – a probléma értelemszerűen az, hogy fekete lyuk éppenséggel nem akad minden labor fiókjában.

A fizikusok részben a fenti gyakorlati probléma okán, részben a célszerűtlenségük miatt jellemzően tehát figyelmen kívül hagyták az időhurkokat. A közelmúltban azonban több fejlemény is történt, amelyek alapján a kvantum világában legalábbis ezek a hurkok nem csak lehetségesek, de kísérletileg meg is valósíthatók. Kvantum-CTC-k segítségével természetesen csak kvantumjeleket küldhetünk vissza az időben, embereket továbbra sem – vagyis Marty McFly-nak várnia kell még egy kicsit. Viszont egy ilyen kutatás új kérdéseket vet fel az ok-okozat, a kvantumelmélet és a valóság természetével kapcsolatban.

A kvantummechanika jelentősen különbözik az általános relativitáselmélettől, különösen az idő kezelése szempontjából. A relativitáselméletben az idő és a tér egy egységes tér-idő szövetet alkot, míg a kvantummechanikában az idő egy állandó háttérfolyamat. Ez az eltérés megnehezíti a két alapvető elmélet egységesítésére irányuló erőfeszítéseket.

Itt jön a képbe a kvantummechanika egyik új fejleménye, a retrokauzalitás, amely újraértelmezi az összefonódás jelenségét. Az összefonódás azt jelenti, hogy két részecske úgy osztozik egy közös állapoton, hogy a közöttük lévő távolság nem számít: ha az egyik részecskét megmérjük, azonnal ismerjük a másik részecske állapotát is, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól.

A retrokauzalitás elmélete szerint viszont ez az összefonódás nem egy azonnali információátvitel miatt történik. Ehelyett azt feltételezi, hogy amikor megmérjük az egyik összefonódott részecskét, akkor az információ mintegy “visszaküldődik az időben”, egészen addig a pillanatig, amikor a két részecske összefonódott. Vagyis nem szükséges azt feltételeznünk, hogy az információ azonnal és a távolságot figyelmen kívül hagyva terjed, hanem inkább egy időbeli kapcsolat alakul ki a részecskék között. Mindez azt jelenti végső soron, hogy a retrokauzalitás alapján nem az információ terjed azonnal a részecskék közt távolságtól függetlenül (mint azt az eddigi hagyományos megközelítés feltételezte), hanem az összefonódás egy időbeli kapcsolat révén működik.

David Deutsch már 1991-ben javasolta a kvantum-CTC-t, amivel arra utalt, hogy az “időutazó részecskék” több univerzumban is létezhetnek egyszerre, megkerülve az olyan paradoxonokat, mint a jól ismert nagyapa-paradoxon. 2010-ben aztán Seth Lloyd és a kollégái továbbfejlesztették ezt az elképzelést egy kvantumszámítási technika segítségével, amit poszt-szelekciónak neveznek. A poszt-szelekció lényege, hogy a nem kívánt eredményeket elvetjük, hogy elérjük a kívánt eredményt.

A poszt-szelekció leegyszerűsítve tehát úgy működik, hogy sokszor elvégzünk egy kísérletet vagy számítást, és csak azokat az eredményeket tartjuk meg, amelyek megfelelnek annak, amit el szeretnénk érni. A kvantumvilágban mindig van egy bizonyos fokú bizonytalanság, mert a részecskék számos lehetséges állapotban létezhetnek, amíg meg nem mérjük őket. A poszt-szelekció során úgy dolgozunk, hogy csak azokat az állapotokat választjuk ki és tartjuk meg, amelyek a kívánt eredményhez vezetnek.

Lloyd és a csapata ezt a technikát használta fel, hogy elméletben CTC-ket hozzon létre, így visszamenőlegesen módosíthatunk olyan dolgokat, amiket a múltban még nem mértünk meg.

2023-ban a kutatók aztán egy új kísérletet javasoltak négy összefonódott qubit felhasználásával kvantumidőhurkok szimulálására. Bár a 2010-eshez hasonlóan ez is mindössze gondolatkísérlet volt, megalapozta a gyakorlati alkalmazásokat, például a kvantummérések javítását. Későbbi kísérletek során pedig kvantumrendszereket használtak, például kvantumbiteket (qubitek) és összefonódási technikákat, hogy gyakorlati módon bemutassák a kvantumidőhurkok működését és előnyeit. Az eredmények pedig azt mutatták, hogy ezek az időhurkok képesek befolyásolni a kvantumrendszerek viselkedését és javítani azok teljesítményét.

Habár mindennek nincs köze az emberi időutazáshoz, de a retrokauzalitásnak ennél fontosabb következménye lehet – a kvantumidőhurkokkal együtt egy napon akár áthidalhatják a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet közötti szakadékot, ezzel elősegítve a kvantumgravitáció egységes elméletének a régóta áhított megalkotását.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Pixabay/TheDigitalArtist)