»It from Qubit«: So lautet der eingängige Name einer radikalen Idee. Demnach sind die Grundbausteine unserer Welt, das »It«, nicht etwa Raum, Zeit oder Materie – sondern Quanteninformation, kurz »Qubit«. Dieser Zugang, so die Hoffnung, könnte den Weg zu einer lang ersehnten Theorie ebnen, welche die Quantenphysik mit der Gravitation verbindet. 

Ein Team um den Physiker James Fullwood von der chinesischen Universität Hainan hat in einer noch nicht begutachteten Studie gezeigt, dass Quanteninformation die grundlegenden Symmetrien des Universums erzeugt. Damit haben die Forscher eine wichtige Verbindung zwischen der Gravitationstheorie und der Quantenphysik enthüllt, den beiden Grundpfeilern der Physik.

Alles ist Information

Die Idee hinter »It from Qubit« ist nicht neu. Bereits 1989 hatte der Physiker John Archibald Wheeler vermutet, dass sich unsere Welt in ihrer fundamentalsten Form aus Informationen zusammensetzt. Der Grund: Größen wie Raum oder Energie verlieren in Extremsituationen ihre Bedeutung.

Das kann man verstehen, wenn man sich ein hypothetisches Mikroskop vorstellt. Zunächst zoomt man immer weiter in den Raum hinein, vorbei an Molekülen, Atomen und Nukleonen, und stößt auf Gluonen und Quarks. Man dringt zunehmend tiefer vor. Irgendwann greift jedoch die heisenbergsche Unschärfe: Je kleiner die gemessene Distanz, desto schlechter lässt sich der Impuls in dem Bereich bestimmen. Der Impuls schwankt heftig. Laut Einsteins Relativitätstheorie verformt er die Raumzeit. Für starke Krümmungen lässt sich aber irgendwann die Distanz nicht mehr bestimmen. An diesem Punkt ist es nicht weiter möglich, mit den üblichen Größen wie Länge, Zeit, Masse oder Energie zu arbeiten. 

Deshalb müssen für eine grundlegende physikalische Theorie neue elementare Größen her. Einige Fachleute sind überzeugt, dass Information der Schlüssel ist.

Demnach könnten Raum, Zeit und Materie aus Quanteninformation entstehen. In dem Fall muss die Quanteninformation die wichtigsten Eigenschaften unseres Universums hervorbringen, zum Beispiel die Lorentz-Symmetrie. Diese ist die Grundlage für das Prinzip der Relativitätstheorie. Sie legt unter anderem fest, wie verschiedene Bezugssysteme bestimmte Phänomene wahrnehmen.

Eine allgegenwärtige Symmetrie

Das Problem: Bislang schien es so, als sei Quanteninformation nicht »lorentzinvariant«. Demnach nehmen verschiedene Beobachter die Quanteninformation unterschiedlich wahr – und damit laut »It from Qubit« auch die Struktur des Universums. Die grundlegenden physikalischen Gesetze sollten allerdings für alle Beobachter gleich sein. Das brachte Vertreter der Theorie in Erklärungsnot.

Doch wie Fullwood und seine Kollegen erkannten, erhält man das Ergebnis nur, wenn man Quanteninformation in einer festgelegten Raumzeit untersucht. »Diese Annahme eines festen Raumzeit-Hintergrunds widerspricht der Idee von ›It from Qubit‹, die darauf abzielt, die klassische Raumzeit-Physik aus der Struktur der Quanteninformation zu rekonstruieren«, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.

»Der scheinbare Widerspruch zwischen Relativitätstheorie und Quanteninformation ist kein wesentliches Merkmal der Quanteninformation«James Fullwood et al., Physiker

Deshalb haben sie beschlossen, Quanteninformation auf einer abstrakteren Ebene zu untersuchen, die unabhängig von einer Raumzeit im Hintergrund ist. Ihr Ergebnis: In diesem Fall folgt aus der Quanteninformation die Lorentz-Symmetrie des Universums.

»Das deutet darauf hin, dass der scheinbare Widerspruch zwischen Relativitätstheorie und Quanteninformation kein wesentliches Merkmal der Quanteninformation ist, sondern vielmehr eine Einschränkung des hintergrundabhängigen Rahmens, in dem sie traditionell beschrieben wird«, resümieren die Physiker. Damit sind sie nun vielleicht einer Quantentheorie der Gravitation einen Schritt näher gekommen.