Die verschränkte Zeit der Quantengravitation

Physik-News vom 22.08.2019


Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger Physiker in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein. Vor kurzem ist es jedoch einem internationalen Forschungsteam von Physikerinnen und Physikern der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Universität Queensland (AUS) und dem Stevens Institute of Technology (USA) gelungen, wichtige Bestandteile der beiden Theorien, die den Verlauf der Zeit beschreiben, zu verbinden. Sie fanden heraus, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen echte Quanteneigenschaften aufweisen kann.

Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verlangsamt die Anwesenheit eines schweren Körpers die Zeit. Das bedeutet, dass eine Uhr in der Nähe eines schweren Körpers langsamer läuft als eine identische Uhr, die sich viel weiter entfernt befindet.


Gedankenexperiment Quantengravitation: Zwei Raumschiffe trainieren für eine Mission.

Publikation:


M.Zych, F.Costa, I.Pikovski, and Č. Brukner
Bell’s theorem for temporal order
Nature Communications volume 10, Article number: 3772 (2019)

DOI: 10.1038/s41467-019-11579-x



Allerdings erlauben es die Gesetze der Quantentheorie, dass ein beliebiger Körper in einem Superpositionszustand gebildet werden kann. Im Superpositionszustand befindet sich ein Körper "gleichzeitig" an zwei Orten, was nicht damit gleichzusetzen ist, diesen Körper nach dem Zufallsprinzip an einem Ort oder dem anderen zu platzieren. Der Körper existiert dabei auf eine spezifische Weise, die von den Gesetzen der Quantenphysik ermöglicht wird.

Eine der offenen Fragen in der Physik lautet: Was passiert, wenn ein Körper, der schwer genug ist, um die Zeit zu beeinflussen, in einen Quantensuperpositionszustand versetzt wird? Manche Physikerinnen und Physiker behaupten, dass solche Szenarien grundsätzlich unmöglich seien, da ein neuer Mechanismus die Entstehung der Superposition verhindern müsse, während andere Expertinnen und Experten ganze Theorien aufstellen, basierend auf der Annahme, dass dies möglich sei.

"Unser Ausgangspunkt war die Frage, was eine Uhr unter dem Einfluss eines schweren Körpers in einem Quantensuperpositionszustand messen würde", erklärt Magdalena Zych von der Universität Queensland.

Die Forschenden hatten damit gerechnet, auf die angeblich unüberwindbaren Hindernisse zu stoßen, doch stellten überrascht fest, dass Standardmethoden der Physik ausreichten, um den Prozess genau zu beschreiben.

Sie entdeckten, dass die Positionierung eines schweren Körpers in einem Quantensuperpositionszustand in der Nähe mehrerer Uhren dazu führt, dass die von ihnen angezeigte Zeit echte Quanteneigenschaften annimmt – ein Widerspruch zu bestehenden Ansichten.

Časlav Brukner, einer der Autoren von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, ergänzt, dass die Szenarien, in denen die Zeitfolge Quanteneigenschaften aufweist, von unserer Alltagserfahrung stark abweichen. Die wichtigste Erkenntnis der Arbeit sei allerdings, "dass eine Zeitfolge mit Quanteneigenschaften tatsächlich möglich ist und neue physikalische Effekte hervorbringt."

Man stelle sich zum besseren Verständnis zwei Raumschiffe vor, die für eine Mission trainieren. Diese erhalten den Auftrag, sich zu einem bestimmten Zeitpunkt gegenseitig zu beschießen, woraufhin sie sofort ihre Triebwerke starten, um dem Angriff des anderen Schiffes auszuweichen. Schießt eines der Schiffe zu früh, zerstört es das andere, wodurch eine eindeutige Zeitfolge zwischen den Schüssen geschaffen wird. Würde jemand einen ausreichend schweren Körper, z. B. einen Planeten, nahe einem der Schiffe positionieren, würde dies dessen Zeitmessung verlangsamen. Dies würde dazu führen, dass das von dem Körper weiter entfernte Schiff zu früh schießt, um ein Ausweichen des anderen zu ermöglichen.

Die Gesetze der Quantenphysik und der Schwerkraft besagen, dass sich die Schiffe bei Herbeiführung eines Quantensuperpositionszustands des Planeten in einer Superposition wiederfinden würden, in der eines der beiden zerstört würde. Einen solchen Superpositionszustand zweier Systeme bezeichnet man als verschränkt. Die neue Arbeit zeigt, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen eine Superposition und Verschränkung aufweisen kann – echte Quanteneigenschaften, die besonders wichtig sind, um die Quantentheorie im Vergleich zu ihren Alternativen zu testen. Das Ergebnis kann nun als theoretisches Versuchsfeld für Rahmenbedingungen der Quantengravitation dienen und somit zu Fortschritten bei der Formulierung einer korrekten Quantengravitationstheorie beitragen.

Diese Studie wird auch für zukünftige Quantentechnologien von Bedeutung sein. Quantencomputer, die eine Rechenabfolge mit Quanteneigenschaften nutzen, könnten Geräte übertreffen, die nur mit fixen Sequenzen arbeiten. Praktische Anwendungen für Zeitfolgen mit Quanteneigenschaften brauchen keine extremen Bedingungen, wie Planeten in Superposition, und können auch ohne den Einsatz von Schwerkraft simuliert werden. Im beginnenden Zeitalter der Quantencomputer kann die Entdeckung von Quanteneigenschaften der Zeit eine Verbesserung dieser Geräte ermöglichen.


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

30.06.2017
Quantenphysik | Teilchenphysik

Erstmals gemessen - Quantenfeldtheorie im Quanten-Simulator
Eine neue Art der Vermessung von Vielteilchen-Quantensystemen präsentiert die TU Wien in Kooperation mit der Universität Heidelberg nun im Fachjournal „Nature“.
23.09.2019
Quantenphysik

2.000 Atome an zwei Orten gleichzeitig
Das Prinzip der Quantenüberlagerung wurde in einer neuen Studie von Wissenschaftlern der Universität Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Basel, in einem bisher unerreichten Maßstab getestet.
20.09.2018
Quantenphysik | Thermodynamik

Kernphysiker stellen Beobachtungen zum quantenchromodynamischen Phasenübergang vor
Dies ist eine gemeinsame Pressemitteilung der Universitäten Münster und Heidelberg sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt.
22.06.2018
Quantenphysik

Der photoelektrische Effekt in Stereo
Beim photoelektrischen Effekt löst ein Photon ein Elektron aus einem Material heraus.
30.06.2017
Quantenphysik

Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
Stuttgarter Physiker gehen weiteren Schritt zu empfindlicheren Sensoren.
16.07.2018
Quantenphysik

Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung
Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen.
18.06.2021
Quantenphysik

Fürs Rechenzentrum: bisher kompaktester Quantencomputer
Quantencomputer waren bislang Einzelanfertigungen, die ganze Forschungslabore füllten.
12.07.2019
Kernphysik | Quantenphysik

Künstliche Intelligenz löst Rätsel der Physik der Kondensierten Materie: Was ist die perfekte Quantentheorie?
Für einige Phänomene der Quanten-Vielteilchenphysik gibt es mehrere Theorien. Doch welche Theorie beschreibt ein quantenphysikalisches Phänomen am besten?
05.02.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Lang lebe die Supraleitung!
Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom verlustfrei zu übertragen - ist ein Quanteneffekt, der trotz jahrelanger Forschung noch immer auf tiefe Temperaturen be-schränkt ist.
19.09.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Was Einstein noch nicht wusste
Er liefert die Grundlage für Solarenergie und globale Kommunikation: der photoelektrische Effekt.
18.04.2019
Quantenphysik

Quantenwelt: Zufall hilft beim Messen
Durch zufällig gewählte Messungen können Innsbrucker Physiker die Quantenverschränkung von Vielteilchensystemen bestimmen.
09.10.2019
Quantenphysik

Physiker verbinden Bauteile von Quantentechnologien
Weltweit tüfteln Forscher an den Bauteilen von Quantentechnologien – dazu gehören Schaltkreise, die Informationen mit Lichtquanten anstatt Elektrizität weitergeben, aber auch Lichtquellen, die einzelne Photonen produzieren.
14.01.2020
Quantenphysik | Quantencomputer

Quantenverschlüsselung unter dem Meer realisiert
Ein internationales Team rund um Forscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien etablierte via Unterseekabel eine quantenverschlüsselte Verbindung zwischen Sizilien und Malta.
30.01.2015
Festkörperphysik | Quantenphysik | Relativitätstheorie

Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.
03.02.2020
Quantenphysik | Statistische Physik

Wie die Natur ihre Formeln verrät
Eine Quanten-Beschreibung für ein Vielteilchensystem zu entwickeln ist kompliziert.
08.07.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Quantenteilchen: Gezogen und gequetscht
Seit kurzem ist es im Labor möglich, die Bewegung schwebender Nanoteilchen in den quantenmechanischen Grundzustand zu versetzen.
19.09.2018
Quantenphysik

Fehlersuche in der Quantenwelt
Die Quantenmechanik ist eine experimentell bestens abgestützte Theorie.
14.06.2019
Quantenphysik

Unsterbliche Quantenteilchen: Der Zyklus von Zerfall und Wiedergeburt
In der makroskopischen Welt ist der Zerfall unerbittlich: Zerbrochene Gegenstände fügen sich nicht von selbst wieder zusammen.
13.10.2020
Quantenphysik | Quantenoptik

Meilenstein in der Quantenphysik: Physikern gelingt der kontrollierte Transport von gespeichertem Licht
Patrick Windpassinger und sein Team demonstrieren, wie sich in einer Wolke aus ultrakalten Atomen gespeichertes Licht über ein "optisches Förderband" transportieren lässt.
20.01.2021
Quantenphysik | Teilchenphysik

Einzelnes Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat gelotst.
Transportprozesse in Materie geben immer noch viele Rätsel auf.
05.03.2020
Akustik | Quantenphysik

Mit Ultraschall in die Quantenwelt
Die meisten Quantenexperimente werden heute mit Hilfe von Licht kontrolliert, so auch in der Nanomechanik, wo winzige Teilchen mit elektromagnetischen Feldern so stark abgekühlt werden, dass sie Quanteneigenschaften zeigen.
23.11.2018
Quantenphysik

Ultrakalter „Quantencocktail“
Die experimentelle Untersuchung von ultrakalter Quantenmaterie ermöglicht die Erforschung von quantenmechanischen Phänomenen, die sonst kaum zugänglich sind.
02.04.2019
Quantenphysik

Detaillierter Blick in die Quantenwelt
Mit einem programmierbaren Quantensimulator konnte ein internationales Forschungsteam die Eigenschaften von verschiedenen Quantenphasenübergängen untersuchen.
02.05.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Laserinduzierte Spindynamik in Ferrimagneten: Wohin geht der Drehimpuls?
Durch intensive Laserpulse kann die Magnetisierung eines Materials sehr schnell manipuliert werden.
01.08.2022
Quantenphysik | Teilchenphysik

Ein Molekül aus Licht und Materie
Mit Licht kann man Atome gezielt dazu bringen, einander gegenseitig anzuziehen.
18.08.2021
Quantenphysik

Suprasolid in eine neue Dimension
Quantenmaterie kann gleichzeitig fest und flüssig, also suprasolid sein: Forscher haben diese faszinierende Eigenschaft nun erstmals entlang zweier Dimensionen eines ultrakalten Quantengases erzeugt.
25.05.2021
Quantenphysik | Thermodynamik

Neues Quantenmaterial entdeckt
Auf eine überraschende Form von „Quantenkritikalität“ stieß ein Forschungsteam der TU Wien gemeinsam mit US-Forschungsinstituten.
12.08.2020
Elektrodynamik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Effizientes Ventil für Elektronenspins
Forscher der Universität Basel haben zusammen mit Kolleginnen aus Pisa ein neues Konzept entwickelt, das den Eigendrehimpuls (Spin) von Elektronen verwendet, um elektrischen Strom zu schalten.
10.08.2020
Astrophysik | Quantenphysik

Hinter einem Schleier aus Nichts
Internationales Forscherteam manipuliert das Quantenvakuum schneller als Licht.
28.03.2018
Quantenphysik

Kann sich die kausale Abfolge zwischen Ereignissen in der Quantenmechanik ändern
Forscher der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften stellten sich die Frage, unter welchen Bedingungen die Quantenmechanik kausale Strukturen der Welt "unscharf" werden lässt.
02.10.2019
Thermodynamik | Quantenphysik

Quanten-Vakuum: Weniger Energie als null
Kann man sich aus dem leeren Raum Energie ausleihen, und muss man sie wieder zurückgeben?
04.07.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Elektronenspektrometer entschlüsselt quantenmechanische Effekte
Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen.
01.07.2019
Relativitätstheorie | Quantenphysik

Die Vermessung von Licht, Zeit und Vakuum
Konstanzer Physiker analysieren Quantenzustände von Licht und Vakuumfluktuationen und zeigen deren Wechselbeziehung zur Zeit auf.
27.07.2021
Quantenphysik | Thermodynamik

Der Quantenkühlschrank
An der TU Wien wurde ein völlig neues Kühlkonzept erfunden.
22.08.2019
Relativitätstheorie | Quantenphysik

Die verschränkte Zeit der Quantengravitation
Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger Physiker in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein.
30.08.2021
Quantenphysik | Thermodynamik

Extrem lang und unglaublich kalt
Bei der Erforschung der Welleneigenschaften von Atomen entsteht am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen für wenige Sekunden einer der „kältesten Orte des Universums“.
04.09.2013
Quantenphysik | Relativitätstheorie

In Quantenschritten zum Urknall
Ein neuer Ansatz zur Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik.
23.08.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Licht-Materie-Wechselwirkung ohne Störeinflüsse
Bestimmte Halbleiterstrukturen, Quantenpunkte genannt, könnten die Basis für eine Quantenkommunikation darstellen.
04.11.2019
Atomphysik | Quantenphysik

Gedächtniseffekt auf Einzelatom-Ebene
Eine internationale Forschungsgruppe hat an einem künstlichen Riesenatom neue Quanteneigenschaften beobachtet und ihre Ergebnisse nun im hochrangigen Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
25.05.2022
Quantenphysik

Sichere Kommunikation mit Lichtteilchen
Quantencomputer bieten viele neuartige Möglichkeiten, bedrohen aber auch die Sicherheit des Internets: Denn die Superrechner machen gängige Verschlüsselungsverfahren angreifbar.
09.07.2020
Festkörperphysik | Quantenphysik

Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen
Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur?
20.02.2020
Quantenphysik | Statistische Physik

10.000-mal schnellere Berechnungen möglich
Physiker entwickeln extrem schnelles Simulationsverfahren um die zeitliche Entwicklung wechselwirkender Elektronen in der Vielteilchen-Quantendynamik vorherzusagen.
13.11.2017
Quantenphysik

Quantenrechnen ermöglicht schnelle Datenbanksuche
Fotosammlungen oder Soziale Netzwerke sind Datensammlungen, in denen die Daten meistens nicht sortiert vorliegen.
17.01.2022
Quantenphysik | Teilchenphysik

Ladungsradien als Prüfstein neuester Kernmodelle
Ein internationales Forschungsprojekt hat die modernen Möglichkeiten der Erzeugung radioaktiver Isotope genutzt, um erstmals die Ladungsradien entlang einer Reihe kurzlebiger Nickelisotope zu bestimmen.
18.11.2015
Quantenphysik | Quantenoptik

Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren
Wissenschaftler der FU Berlin, der Universidade Federal do Rio de Janeiro und des MPQ entwickeln neues Verfahren für die Zertifizierung photonischer Quantensimulatoren.
12.05.2022
Quantenphysik

Quantensysteme und Bienenflug
Mehr als zwei Billiarden verschiedene Zustände kann ein Quantensystem mit nur 51 geladenen Atomen einnehmen.
22.12.2021
Quantenphysik

Quantenmurmeln in der Lichtschüssel
Von welchen Faktoren hängt es ab, wie schnell ein Quantencomputer seine Berechnungen durchführen kann?
02.09.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik | Thermodynamik

Neues Fell für Schrödingers Katze
Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt, doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern.
21.01.2019
Quantenphysik

Klassisches Doppelspalt-Experiment in neuem Licht
Internationale Forschergruppe entwickelt neue Röntgenspektroskopie-Methode basierend auf dem klassischen Doppelspalt-Experiment, um neue Erkenntnisse über die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern zu gewinnen.
03.06.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Quantenbits aus Löchern
Wissenschafter haben ein neues und vielversprechendes Qubit gefunden – an einem Ort, an dem es nichts gibt.