Can a Measurement Be Undone? Recovering the State of a Measured Microscopic System with a Reversible Measuring Apparatus

In der Quantenwelt wird der Akt der Messung oft als ein gewaltsamer Eingriff beschrieben. Vor einer Messung kann ein winziges Teilchen in einem Zustand der Superposition existieren, also effektiv an zwei Orten oder in zwei Zuständen gleichzeitig sein. Dies ist eine delikate, unsichtbare Harmonie, die als Kohärenz bekannt ist. Doch in dem Moment, in dem wir versuchen herauszufinden, in welchem Zustand sich das Teilchen befindet, scheint diese Harmonie zu zerbrechen. Das Teilchen „kollabiert“ in einen einzelnen, definiten Zustand, und die Fähigkeit, an zwei Orten gleichzeitig zu sein, verschwindet. Seit Jahrzehnten debattieren Physiker darüber, ob dieser Kollaps ein fundamentales Naturgesetz ist – ein harter Stopp, bei dem die Realität eine Entscheidung erzwingt – oder ob er lediglich eine Illusion ist, die dadurch entsteht, dass sich das Messgerät mit dem Teilchen verschränkt. Wenn Letzteres zutrifft und wenn die Gesetze der Physik perfekt reversibel sind, dann sollte die verlorene Harmonie wiederherstellbar sein, wenn wir es irgendwie schaffen würden, die Messung rückgängig zu machen und das Messgerät in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuführen.

Ein neuer Vorschlag von Peter Renkel von The MathWorks deutet einen Weg an, dies direkt zu testen. Die Idee besteht darin, ein Messgerät zu bauen, das reversibel ist – eines, das Informationen über ein mikroskopisches Teilchen speichern und dann gelöscht werden kann, sodass es exakt so ist wie vor Beginn der Messung. Wenn die Standard-Quantenmechanik die ganze Geschichte ist, sollte das mikroskopische Teilchen seine verlorene Harmonie zurückgewinnen, sobald das Gerät zurückgesetzt wird. Aber wenn ein mysteriöser physikalischer Prozess den Kollaps verursacht, der permanent eintritt, selbst nachdem das Gerät zurückgesetzt wurde, wird die Harmonie gebrochen bleiben. Dieses Experiment zielt darauf ab, diesen permanenten Bruch zu erfassen und zwischen einer reversiblen Verschränkung und einem irreversiblen Kollaps der Realität zu unterscheiden.

Das vorgeschlagene Experiment verwendet einen spezifischen Aufbau mit zwei sehr unterschiedlichen Objekten: einem einzelnen, winzigen Molekül und einem geladenen Nanopartikel. Das Molekül fungiert als das mikroskopische System, das in einer Superposition zweier interner Zustände vorbereitet wurde. Da diese beiden Zustände leicht unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen, üben sie unterschiedliche Kräfte auf den nahegelegenen Nanopartikel aus. Während das Molekül mit dem Nanopartikel interagiert, bewegt sich der Nanopartikel als Reaktion darauf und zeichnet effektiv auf, in welchem Zustand sich das Molekül befand. Diese Bewegung ist die Messung; der Nanopartikel hält nun die „Welcher-Zustand“-Information bereit.

Entscheidend ist, dass das Experiment hier nicht stoppt, um das Ergebnis abzulesen. Stattdessen schlagen die Forscher eine präzise Sequenz von Kräften vor, die den Nanopartikel auf einem Pfad zurückführt, der seine Bewegung rückgängig macht. Der Nanopartikel wird in seine exakte Ausgangsposition und seinen ursprünglichen Impuls zurückgebracht, wodurch die Information, die er gerade gespeichert hat, gelöscht wird. In der Sprache der Physik wird der Messapparat in seinen Zustand vor der Messung zurückversetzt. Wenn das Universat den Standard-Quantenregeln folgt, sollte das Molekül nicht darum kümmern, dass es gemessen und dann wieder „un-gemessen“ wurde; seine ursprüngliche Quantenharmonie sollte zurückkehren, und es sollte sich so verhalten, als hätte die Interaktion nie stattgefunden.

Falls jedoch ein physikalischer Kollapsmechanismus existiert – einer, der die Quantenkohärenz in dem Moment permanent zerstört, in dem Information erzeugt wird – wird das Molekül die Harmonie nicht vollständig zurückgewinnen. Selbst wenn der Nanopartikel zurückgesetzt wurde, wird das Molekül eine „Narbe“ der Messung tragen, die einen permanenten Verlust der Harmonie zeigt. Das Experiment ist darauf ausgelegt, diesen winzigen, verbleibenden Verlust zu detektieren. Durch die Wiederholung dieses Zyklus von Messung und Umkehrung hunderttausende Male hoffen die Forscher zu sehen, ob eine kleine, unerklärliche Menge an Kohärenz fehlt.

Das Paper skizziert ein konkretes Design für diesen Test unter Verwendung eines Moleküls, das dem von Calciumhydroxid ähnelt, und eines geladenen Nanopartikels. Das Molekül wird in einer Falle gehalten, und der Nanopartikel schwebt in der Nähe. Während eines einzigen Zyklus, der etwa 4,19 Millisekunden dauert, bewegt sich der Nanopartikel weit genug, um die zwei Zustände des Moleküls klar zu unterscheiden, was effektiv die Information aufzeichnet. Dann kehrt das System um und bringt den Nanopartikel zurück zur Null-Auslenkung. Die Forscher berechnen, dass sie, wenn sie diesen Zyklus 500.000 Mal durchführen, eine Verlustrate von nur 5,51 pro Sekunde nachweisen könnten. Diese Sensitivität würde es ihnen ermöglichen, ein neues, direktes Limit für Theorien zu setzen, die einen permanenten Kollaps vorhersagen, wie etwa die Continuous Spontaneous Localization, ein Modell, das suggeriert, dass Gravitation oder Masse die Quantenzustände zum Zusammenbruch bringen.

Die Bedeutung dieses Ansatzes liegt in seiner Direktheit. Frühere Experimente haben versucht, den Kollaps durch das Suchen nach Nebenwirkungen zu inferieren, wie etwa unerwartete Erwärmung oder Strahlung, die von kollabierenden Teilchen emittiert wird. Dieser Vorschlag hingegen betrachtet den Messprozess selbst. Er stellt eine einfache, operationale Frage: Wenn wir Information in einer Maschine speichern und diese Information löschen, indem wir die Maschine in ihren ursprünglichen Zustand zurückführen, erholt sich das Quantensystem dann? Die Antwort auf diese Frage hängt nicht von den Details einer spezifischen Theorie ab, sondern von der fundamentalen Natur der Wechselwirkung zwischen Information und Realität.

Die Forscher räumen ein, dass der Bau eines solchen Geräts eine Herausforderung darstellt. Es erfordert extreme Kontrolle über elektrische Felder und die Fähigkeit, den Nanopartikel stabil zu halten, während er sich bewegt und zurückkehrt. Sie haben die notwendigen Bedingungen kartiert, einschließlich der Notwendigkeit, parasitäre elektrische Felder zu eliminieren, die das Signal eines Kollapses imitieren könnten. Sie merken auch an, dass ihr Design zwar ein spezifisches Molekül und einen Nanopartikel verwendet, die Logik jedoch auf jedes System anwendbar ist, bei dem ein mikroskopisches Objekt ein größeres, mesoskopisches Objekt bewegen und von diesem zurückgedrückt werden kann.

Wenn dieses Experiment gebaut wird und keinen verbleibenden Verlust findet, wäre dies ein starker Beleg dafür, dass die Quantenmechanik vollständig ist und dass der Kollaps der Wellenfunktion kein physikalisches Ereignis ist, sondern eine Konsequenz dessen, wie wir mit der Welt interagieren. Sollte es jedoch einen Verlust finden, wäre dies eine revolutionäre Entdeckung, die beweist, dass es eine fundamentale, irreversible Grenze für die Menge an Information gibt, die gelöscht werden kann, selbst in einer perfekt kontrollierten Laborumgebung. Vorerst steht das Paper als ein detaillierter Bauplan für einen Test, der endlich klären könnte, ob die Quantenwelt wirklich rückgängig gemacht werden kann.