Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Raumzeit entdeckt

Alice and Bob (c) ÖAW - Harald Ritsch

By Hildegard Suntinger

Physiker weltweit suchen nach Theorien, welche Quantenphysik und die von Einstein beschriebene Raumzeit vereint. Jetzt entdeckten Forscher an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) über die Quantenkorrelation einen wichtigen Zusammenhang.

Das wesentliche Prinzip zwischen allen physikalischen Interaktionen ist Lokalität. Es besagt, dass jedes physikalische System nur mit Systemen in unmittelbarer Umgebung interagieren kann. Bei entfernt liegenden Systemen muss es ein vermittelndes Medium geben. Ein Prinzip, das etwa beim Telefonieren mit Mobiltelefonen nachvollziehbar wird, bei dem die Daten via elektromagnetischer Wellen übertragen werden, um mit dem Gesprächspartner in Kontakt treten zu können.

Vierte Dimension: Raumzeit

Quantenphysiker der ÖAW und der Universität Wien untersuchten das Prinzip der Lokalität im Hinblick auf eine Verbindung zwischen Quantenmechanik und Raumzeit. Die Raumzeit ist das Verständnis der Gravitation, das aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie hervorgeht. Jener Raum, der die drei räumlichen Dimensionen mit der vierten Dimension, der Zeit (Vergangenheit, Gegenwart, Zukunft), vereint.

Alice und Bob

Die Forscher arbeiteten mit der Korrelation von zwei unabhängig erstellten Messergebnissen. Zunächst wurde die vierte Dimension noch außer Acht gelassen: Ausgangsposition war der dreidimensionale Raum, in dem zwei fiktive Beobachter – Alice und Bob – zwei separate Bestandteile eines physikalischen Systems untersuchen. Der Untersuchungsraum von Alice ist begrenzt (region of space) und der Untersuchungsraum von Bob liegt außerhalb dieses begrenzten Raums. Alice und Bob sind Synonyme für Sender und Empfänger einer Nachricht. Sie werden verwendet, um Erklärungen in der Physik zu vereinfachen.

Quantenkorrelation (c) ÖAW - Harald Ritsch — Quantenkorrelation (c) ÖAW – Harald Ritsch

Bild oben: Durch Quantenverschränkung erzeugte Korrelationen werden auch als Quantenkorrelationen bezeichnet. Messergebnisse an mehreren verschränkten (interagierenden) Teilsystemen sind miteinander korreliert, das heißt, je nach dem Messergebnis von einem Teilsystem liegt für die möglichen Messergebnisse an den anderen Teilsystemen eine veränderte Wahrscheinlichkeitsverteilung vor.

Flächengesetz der Entropie

Das Flächengesetz der Entropie (area law) ist ein wesentliches Gesetz in der Quantenphysik. Es besagt, dass die Korrelation zwischen den Messergebnissen von Alice und Bob proportional zur Fläche des Grenzbereichs ist. Nicht aber zu dessen Volumen, wie man einfach gedacht, im dreidimensionalen Raum annehmen könnte.

Anknüpfend an das Gesetz der Entropie erforschten die Wissenschafter das Szenario aus dem Blickwinkel der vierten Dimension, der Zeit. Alice führt ihre Messungen in einem abgegrenzten Raumbereich in einem bestimmten Zeitraum durch. Bob misst außerhalb dieses Bereichs und hat zu jedem Zeitpunkt Zugang zu jedem anderen vorhandenen Punkt. In dieser Simulation der Raumzeit wollten sie herausfinden, welche Rolle der Grenzbereich zwischen Alice und Bob für die Korrelation der Messergebnisse bedeutet.

Wichtiger Zusammenhang

Dabei kamen sie zu dem Schluss, dass das Flächengesetz der Entropie auch in der Raumzeit gilt. Vorausgesetzt das Prinzip der Lokalität ist in kraft, das heißt, die Objekte interagieren lokal miteinander. Auch unter Berücksichtigung der Dimension der Zeit nimmt die Korrelation der Messergebnisse von Alice und Bob direkt proportional mit der Fläche des Grenzbereichs zu. Das Volumen spielt für das Ausmaß der Korrelation auch in der Raumzeit keine Rolle.

Časlav Brukner, Gruppenleiter am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW und einer der Studienautoren, sieht mit diesem Befund eine einheitliche Theorie für die Welten der Quantenphysik und der Gravitation näher gerückt. Zitat: “Uns ist es damit gelungen, einen wichtigen Zusammenhang zwischen Quantenkorrelation und Raumzeit zu finden.”

Publikation im Journal Quantum Information

Kull, I./ Allard Guérin, P./Brukner, Č. (2019): A Spacetime Area Law Bound on Quantum Correlations. Nature Partner Journal Quantum Information. (Open Access)
DOI: 10.1038/s41534-019-0171-x