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H2020

Space-Time from Info — Ergebnis in Kürze

Project ID: 657661
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Österreich
Bereich: Weltraum

Informationstheorie bringt uns dem Verständnis der Quantengravitation näher

Die Informationstheorie könnte der Schlüssel zu einer Zusammenführung von Quantentheorie und allgemeiner Relativitätstheorie sein, was eine neue Perspektive auf die Quantengravitation bietet und zur Beschreibung des Universums beiträgt, vom kleinsten bis zum größten Maßstab.
Informationstheorie bringt uns dem Verständnis der Quantengravitation näher
Die Informationstheorie, die wissenschaftliche Disziplin, die unsere vernetzte Welt der digitalen Speicherung und Kommunikation untermauert, die durch das Internet, Computer und Smartphones getragen wird, beginnt nun, die Physik zu beeinflussen. Physikalische Systeme, die als Träger von Informationen angesehen werden, und ihre Wechselwirkungen können nun aus neuen Perspektiven untersucht und besser verstanden werden.

Das EU-finanzierte Projekt Space-Time from Info wandte die Informationstheorie an, um mit der Entwicklung eines neuartigen Paradigmas zu beginnen, das die Struktur der Raumzeit als Informationsfluss zwischen ihren mikroskopischen Bestandteilen betrachtet.

Abenteuer in der Raumzeit

Das Projekt Space-Time from Info ging davon aus, dass die Mikroarchitektur des Universums als ein Netzwerk physikalischer Systeme in einer groben Analogie mit der Funktionsweise des Internets verglichen werden kann. Es zielte darauf ab, unser Verständnis der Quantengravitation zu vertiefen, um die uns bekannten großräumigen Strukturen (wie Planetensysteme, Galaxien und den Kosmos) als kollektive Phänomene zu erklären, die sich aus den Informationsaustauschprozessen des Mikronetzwerks ergeben.

Projektkoordinator Professor Caslav Brukner beschreibt die Einzigartigkeit des Ansatzes wie folgt: „Bei der traditionelleren Perspektive steht die Raumzeit an erster Stelle und es wird erst danach gefragt, welche Art von Informationsfluss in ihr möglich ist. Die hier vertretene Auffassung geht davon aus, dass man im Grunde genommen nicht das Eine ohne das Andere betrachten kann, dass sie sich also in gewissem Sinne überschneiden könnten.“

Ziel der Quantengravitation ist es zu zeigen, dass die Raumzeitstruktur, die uns und die Weiten unseres Universums umgibt – und die von der allgemeinen Relativitätstheorie behandelt wird – selbst nicht fundamental ist, sondern vielmehr nur das Ergebnis einer speziellen Grenze einer Quantentheorie der Raumzeit darstellt.

Dr. Philipp Höhn, leitender Wissenschaftler und Marie-Curie-Stipendiat, erklärt: „Auf die gleiche Art ist auch die klassische mechanische Physik aus der klassischen Grenze der Quantenmechanik hervorgegangen. In einfachen Worten bedeutet dies: Obwohl ein Fußball aus vielen Quantensystemen in Form von Atomen besteht, kann der Ball als Ganzes durch die klassischen Newtonschen Bewegungsgesetze beschrieben werden.“

Das Projekt stützte sich auf das elementarste Quantensystem, das Qubit, und die Tatsache, dass es möglich ist, jede räumliche Richtung des realen Raums, in dem wir leben, in den Quantenzustand eines Qubits zu kodieren. Dies ist allerdings nur möglich, weil sowohl der Realraum als auch der Zustandsraum des Qubits dreidimensional sind.

Dr. Höhn führt weiter aus: „Auf diese Weise können entfernte Beobachter oder Agenten vollständige Richtungsinformationen übermitteln, beispielsweise um ihre Bezugsrahmen zu synchronisieren, wobei die elementarsten Quantensysteme als Informationsträger fungieren.“

Diese Beobachtung erlaubte es den Forschern, eine Raumzeitstruktur aus der Kommunikation von Quantensystemen zwischen Agenten abzuleiten, die zuvor nicht offensichtlich war. Das Überraschende dabei ist, dass die Untersuchung erfolgt ist, ohne zu Beginn eine bestimmte Raumzeitstruktur vorauszusetzen.

Veränderung unserer Vorstellung von Raum und Zeit

Die Grundidee des Projekts bestand darin, dass die Raumzeitstruktur zwar beeinflusst was und wie Prozesse der Informationstheorie physisch umgesetzt werden können, umgekehrt aber auch Informationseigenschaften (z. B. die Durchführbarkeit bestimmter Kommunikationsaufgaben) die Raumzeitstruktur einschränken können.

Das Projekt arbeitete einen Plan für einen Informationsnetzansatz zur Quantengravitation aus, der gut zu den jüngsten Entwicklungen in der Hochenergiephysik passt. Dr. Höhn erklärt: „Insbesondere schlägt das Projekt vor, die Korrelationsstärke zwischen Quantensubsystemen zu nutzen, um eine Idee von der Entfernung und damit der Geometrie zu bekommen. Dies basiert auf der Beobachtung, dass sich Informationssysteme unter bestimmten Bedingungen umso näher sind, je mehr sie über einander verfügen.“

Es gibt zwar keine unmittelbaren praktischen Anwendungen des Projekts, es ist jedoch Teil grundlegender Forschungsbemühungen, die unsere Vorstellung von Raum und Zeit und letztlich unseres Universums verändern können.

Schlüsselwörter

Space-time from Info, Quantengravitation, allgemeine Relativitätstheorie, Informationstheorie, Netzwerk, Qubit, Geometrie, Universum
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