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„Wurmloch im Labor“: Forscher schafft Blaupause für bahnbrechenden Meilenstein

Ein Wurmloch, wenngleich derzeit ein hypothetisches Objekt, will ein Physiker künftig im Labor bauen können.

Wurmloch
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Schwarze Löcher – das solltest du wissen

Über Schwarze Löcher gibt es vieles zu wissen. Wir verraten dir einige der wichtigsten Fakten über die geheimnisvollen Giganten.

In der Physik wird normalerweise die Übertragung von Informationen von einem Ort zum anderen durch die Übertragung von Teilchen oder Energie realisiert. Jüngste Studien haben jedoch die kontrafaktische Kommunikation untersucht, eine Methode, bei der Informationen ohne den Austausch von Teilchen oder Energie übertragen werden können. Obwohl diese Idee zunächst kontraintuitiv erscheint, könnte sie als Vorlage für die Entwicklung eines künstlichen Wurmlochs dienen.

Das kontrafaktische Wurmloch

Im Kontext physikalischer und mathematischer Modelle basiert nicht alles auf klaren Messungen. Gerade in der Quantenmechanik ist es stellenweise sogar ausgesprochen wichtig, auf Instrumente wie die sogenannte kontrafaktische Bestimmtheit zurückzugreifen. Sie setzt vereinfacht gesagt voraus, dass sich aus der Abwesenheit von etwas auf eine bestimmte Aktivität schließen lässt.

Unter dem Begriff kontrafaktische Bestimmtheit (CFD) versteht man die Fähigkeit, im Rahmen statistischer Berechnungen nicht gemessene Ergebnisse gleichberechtigt mit gemessenen Ergebnissen zu behandeln. Das heißt: Wenn du etwa Lichtquanten, also Photonen, als Teilchen misst, kannst du unter Verwendung der CFD dennoch jene Ergebnisse gelten lassen, die du erhalten hättest, hättest du sie als Welle gemessen.

Das Prinzip der Kontrafaktizität lässt sich jedoch nicht ausschließlich auf Messungen anwenden, sondern auch auf physikalische Ereignisse. In Bezug auf das Projekt eines führenden Forschers auf dem Gebiet der kontrafaktischen Quantenkommunikation, Hatim Salih von der University of Bristol, bedeutet das: Man müsste Informationen transportieren können, ohne Informationen zu transportieren.

Von Gegenportierung und Qubits

Der Physiker hat einen experimentellen Plan vorgeschlagen, um die Physik hinter einer Art von austauschfreier Kommunikation zu testen. Er nennt sein Konzept „Counterportation“ (dt. etwa „Gegenportierung“) und will mit seiner Hilfe ein künstliches Wurmloch erschaffen. Der Vorschlag nutzt Qubits um Informationen von einem Ort zu einem anderen zu übertragen, ohne jemals miteinander zu interagieren.

Während man bei Bits lediglich zwischen den Zuständen 1 und 0 unterscheidet, befindet sich ein Qubit gleichzeitig im Zustand 1, 0 und noch zwei weiteren. Das bedeutet, dass es nur über zwei durch Messung sicher unterscheidbare Zustände verfügt.

„Dies ist ein Meilenstein, auf den wir seit einigen Jahren hingearbeitet haben“, erklärt Salih. „Er bietet einen theoretischen und praktischen Rahmen, um die ewigen Rätsel des Universums, wie die wahre Natur der Raumzeit, neu zu erforschen.“

„Völlig neuer Typ Quantencomputer“ erforderlich

Salihs frühere Forschungen haben gezeigt, dass Licht durch komplexe Arrays von Verteilern und Detektoren getrennt wird. Die Information kommt am Zielort an, obwohl es kein Teilchen gibt, das sie trägt. Der Vorschlag des Physikers ist ein neues Rechenverfahren, das auf seinem 2013 veröffentlichten theoretischen Protokoll basiert.

Während die Teleportation ein bewährtes Mittel ist, um einen Quantenzustand von einem Ort zum anderen zu übertragen, ist die Gegenportation eine Quantenform der kontrafaktischen Kommunikation, die ähnlich wie die Teleportation zur Übertragung von Quanteninformationen führt. Das geschieht in diesem Fall jedoch ohne den zusätzlichen Aufwand.

Die vorgeschlagene Methode nutzt eine besondere Art von Einstein-Rosen-Brücke (ER) oder Wurmloch, von der angenommen wird, dass sie die Überlappung oder Verbindung zwischen verschränkten Objekten darstellt. Salih beschreibt im Rahmen seiner neuen Studie, dass diese Art von lokalem Wurmloch das Medium sein könnte, durch das die Gegenübertragung stattfindet.

„Wenn die Gegenportation realisiert werden soll, muss ein völlig neuer Typ Quantencomputer gebaut werden: ein austauschfreier Computer, bei dem die kommunizierenden Parteien keine Teilchen austauschen“, so Hatim. „Im Gegensatz zu Quantencomputern im großen Maßstab, die bemerkenswerte Geschwindigkeitssteigerungen versprechen und von denen noch niemand weiß, wie sie gebaut werden können, besteht das Versprechen von austauschfreien Quantencomputern selbst im kleinsten Maßstab darin, scheinbar unmögliche Aufgaben – wie z.B. die Gegenübertragung – möglich zu machen, indem neben der Zeit auch der Raum auf grundlegende Weise einbezogen wird.“

Physiker will „Wurmloch im Labor“ bauen

Die Existenz von Wurmlöchern wurde zwar im Zusammenhang mit schwarzen Löchern theoretisiert, aber es ist möglich, dass sie auch verschränkte Phänomene auf kleineren Skalen beschreiben. „Das Ziel für die nahe Zukunft ist es, ein solches Wurmloch im Labor physisch zu bauen, das dann als Prüfstand für konkurrierende physikalische Theorien, sogar für die Quantengravitation, verwendet werden kann“, fügte Hatim hinzu.

Wenn Wurmlöcher tatsächlich existieren, könnte ihre Beschreibung helfen, Lücken in unserem Wissen über die grundlegende Natur der Materie zu schließen.

Quellen: University of Bristol; „Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication“ (Physical Review Letters, 2013); „From counterportation to local wormholes“ (Quantum Science and Technology, 2023)

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