Kvantmekanik kan inte rädda ditt förflutna, men kanske skicka meddelanden till det

I ett källarlaboratorium vid Max Planck-institutet för kvantoptik hålls temperaturen närmare den absoluta nollpunkten än någon annanstans i det kända universum. Här talar forskare inte om tidsresor; de talar om koherenstider, felkorrigering och de smärtsamt långsamma framstegen i European Quantum Flagships miljardprojekt. Ändå har en nyligen publicerad teoretisk uppsats blåst liv i en debatt som låter mer som ett filmmanus av Christopher Nolan än ett tyskt industripolitiskt möte: möjligheten att kvantsammanflätning, i kombination med den extrema fysiken i svarta hål, skulle kunna skapa en "kronologisk bakväg" för information.

Premissen vilar på bron mellan två av fysikens mest obekväma koncept: Einstein-Rosen-bryggor (maskhål) och den icke-lokala kopplingen mellan sammanflätade partiklar, en dualitet som ofta förkortas ER=EPR. Medan fysikersamfundet länge avfärdat idén om fysiska tidsresor som en matematisk artefakt inom den allmänna relativitetsteorin som naturen aldrig skulle tillåta, är kvantversionen mer lömsk. Den antyder att även om du inte kan resa tillbaka och förhindra en katastrof, kanske du kan skicka en mycket liten, mycket bräcklig uppsättning kvantbitar bakåt för att varna någon. I filmen Interstellar är detta tesserakten bakom bokhyllan; i Bryssel och Bonn är det en upphandlingsmardröm som utmanar vår förståelse av kausalitet och de fundamentala begränsningarna i den kiselbaserade ekonomin.

Kausalitetens kryphål genom post-selektion

För att förstå varför detta plötsligt diskuteras i seriösa kretsar måste man titta på den specifika mekanismen för kvant-post-selektion. Inom standardkvantmekaniken kan du inte skicka information snabbare än ljuset eftersom resultaten av kvantmätningar i grunden är slumpmässiga. Om du och jag delar ett par sammanflätade fotoner säger min mätning mig något om din omedelbart, men jag kan inte styra mitt resultat för att skicka en specifik signal till dig. Detta är "No-Communication Theorem", och det är den främsta anledningen till att kvantfysiken inte redan har vänt upp och ner på den globala telekombranschen.

Problemet med budbärare från stjärnorna

Medan teoretikerna debatterar huruvida dessa loopar är en funktion eller en bugg i universum, är observationssamfundet upptaget med att jaga fysiska budbärare från utanför vårt solsystem som skulle kunna testa vår förståelse av extrem fysik. Den nyligen väckta besattheten vid det interstellära objektet 3I/ATLAS belyser gapet mellan vad vi kan modellera och vad vi faktiskt kan nå. 3I/ATLAS upptäcktes för bara några månader sedan och är den tredje bekräftade besökaren från ett annat stjärnsystem. Det har redan uppvisat den typ av icke-gravitationell acceleration som tänder SETI-samfundet (Search for Extraterrestrial Intelligence).

En analys från SETI Institute har nyligen gått emot påståenden om att 3I/ATLAS skulle kunna vara en utomjordisk sond som använder exotisk framdrivning. Datan tyder på en mer vardaglig, om än fascinerande, förklaring: utgasning av väte eller andra flyktiga ämnen som fungerar som en naturlig raketmotor. Detta är den återkommande spänningen i modern vetenskap—kampen mellan den "revolutionerande" förklaringen och den "icke-gravitationella" verkligheten. Om 3I/ATLAS vore en teknologisk artefakt skulle det vara det ultimata testobjektet för att kontrollera om dess hemcivilisation bemästrat de kvantbaserade bakvägar som nu teoretiseras. Istället verkar det vara en mycket ensam, mycket snabb sten som ändrar färg när den reagerar på vår sols strålning, vilket påminner oss om att interstellära resor i nuläget är en fråga om kemi och ballistik, inte maskhål.

Bryssel och gapet i kvantsuveränitet

För europeiska beslutsfattare är debatten om kvantbaserad tidssignalering inte bara en akademisk övning; det är en fråga om industriell suveränitet. EU:s projekt EuroQCI (Quantum Communication Infrastructure) satsar för närvarande miljontals euro på att säkra kontinentens data mot framtida kvantdatorer. Om den teoretiska möjligheten till "probabilistiska" tidsresor via kvantsammanflätning någonsin skulle flytta från svarta tavlan till laboratoriet, skulle det göra vår nuvarande förståelse av datasäkerhet föråldrad. Om en motståndare kan använda post-selektion för att nå ett tillstånd som inkluderar dina framtida dekrypteringsnycklar, blir ordet "säker" i säker kommunikation en relativ term.

Det är här det tyska industriella perspektivet blir särskilt skarpt. Tysklands styrka inom precisionsmekanik och kryoteknik gör landet till ett naturligt nav för den hårdvara som krävs för att testa dessa teorier. Men det tyska utbildnings- och forskningsministeriet (BMBF) är notoriskt konservativt. Att finansiera ett projekt som ens antyder "tidsresor" är ett snabbt sätt att förlora budgetanslag. Följaktligen presenteras forskningen ofta under täckmanteln "kvantsimulering av extrema gravitationsmiljöer". Vi bygger tesserakten, men vi kallar det en högtrycksvakuumkammare för halvledartester.

Intercepten 2085 och skalan

Det finns också frågan om energi. Att skapa den typ av rumtidsböjning som krävs för en fungerande CTC (Closed Timelike Curve)—även i mikroskopisk skala—kräver energitätheter som långt överstiger allt som Large Hadron Collider kan drömma om. Vi talar om massenergi motsvarande en liten måne komprimerad till storleken av en proton. Även de mest optimistiska förespråkarna för ER=EPR-bron erkänner att vi sannolikt är århundraden från att kunna generera ett sådant fält. Hårdvaran existerar inte, finansieringen finns inte i den nuvarande EU-budgetcykeln, och fysiken kanske fortfarande förbjuder det när vi väl går från 2D-modeller till 3D-verklighet.

Kan vi lita på ett meddelande från framtiden?

Om vi för ett ögonblick antar att matematiken kring post-selektion håller och att ett meddelande faktiskt skulle kunna skickas bakåt, står vi inför ett filosofiskt och tekniskt problem: signal-brusförhållandet. I dessa kvantmodeller är sannolikheten för ett framgångsrikt "bakåtriktat" meddelande ofta försvinnande liten. Man kanske måste köra experimentet en biljon gånger för att få en enda sammanhängande loop. För en 2000-talsbetraktare skulle "meddelandet" från framtiden vara omöjligt att skilja från en slumpmässig fluktuation i en kvantsensor.

Detta för oss tillbaka till Max Plancks kryostater. Ingenjörerna som arbetar där vet att universum är brusigt. Kvantsystem kollapsar om man tittar på dem för noga, för att inte tala om om man försöker släpa dem genom ett hål i tidens väv. Ambitionen att kommunicera över den fjärde dimensionen är ett bevis på mänsklig nyfikenhet, men verkligheten är att vi fortfarande försöker lista ut hur man gör en 50-kvantbitars processor som inte överhettas. Vi letar efter bokhyllan i det svarta hålet, men vi har inte ens hunnit färdigställa biblioteket.

Studien av 3I/ATLAS och den teoretiska utforskningen av kvantbaserad tidssignalering är två sidor av samma mynt: vårt desperata behov av att hitta en genväg genom universums enorma vidder. Oavsett om det är en genväg i rummet eller i tiden pekar resultaten mot samma slutsats. Naturen är villig att visa oss matematiken för en genväg, men den tar ut ett pris i energi och komplexitet som vi ännu inte kan betala. Europa kommer att fortsätta finansiera sensorerna och kryostaterna, och teoretikerna kommer att fortsätta förfina ER=EPR-bryggorna, men för närvarande är det enda sättet att skicka ett meddelande till framtiden det gamla hederliga sättet: att skriva ner det och vänta.

Bryssel har färdplanen. Tyskland har kryostaterna. Men universum har ännu inte tillhandahållit påfarten från nuet.