Wien. Die Vereinigung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie gilt als eine der größten Herausforderungen der Physik. Ein internationales Team unter Beteiligung der Universität Wien hat nun im Fachjournal "Nature Communications" eine Theorie vorgestellt, die Schlüsselelemente aus beiden Bereichen miteinander verbindet.

Laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie beeinflussen massive Objekte den Verlauf der Zeit. So tickt eine Uhr etwa in der Nähe eines Planeten langsamer als eine, die sich in großer Entfernung dazu befindet. In der Quantentheorie wiederum finden Ereignisse zwar auf einer fixen Zeitskala statt. Ein und dieselbe Masse kann sich allerdings an zwei verschiedenen Orten "gleichzeitig" aufhalten. So wie das berühmte Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger, bei dem eine Katze gleichzeitig sowohl tot als auch lebendig ist, sind sie sowohl an dem einen als auch an dem anderen Ort. Physiker sprechen in diesem Fall von einem Überlagerungszustand.

In ihrer aktuellen Studie beschäftigen sich Caslav Brukner von der Fakultät für Physik der Universität Wien sowie dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und seine Kollegen nun mit der Frage, was passiert, wenn ein massereiches Objekt, das den Verlauf der Zeit beeinflusst, sich auch in einem solchen Überlagerungszustand befindet. "Wie wir zeigen, lassen sich so auch kausale Zusammenhänge in eine Überlagerung bringen", sagte Brukner gegenüber der APA.

Beispiel Raumschiff

Zur Veranschaulichung dient ein Beispiel aus dem Bereich der Science-Fiction: Angenommen, zwei Raumschiffe hätten den Auftrag, eine militärische Übung auszuführen und zu einem vorher vereinbarten Zeitpunkt aufeinander zu feuern und unmittelbar danach abzudrehen, um dem Schuss des Gegenübers auszuweichen. Beide Raumschiffe richten sich jeweils nach ihrer eigenen Borduhr, die allerdings durch die Masse eines nahen Planeten beeinflusst sein könnte. Das Raumschiff, das sich näher am Planeten befindet, würde dann etwas zu spät ausweichen und deshalb vom anderen getroffen werden.

Befände sich der Planet jedoch in einem Überlagerungszustand, wäre nicht mehr feststellbar, welche der beiden Borduhren langsamer läuft. Damit würde auch der kausale Zusammenhang zwischen Zeitmessung, Schuss und Zerstörung in einen Überlagerungszustand geraten und beide potenzielle Ausgänge - die Zerstörung des einen oder des anderen Schiffes - wären gleichermaßen real.

"Entscheidend dabei ist, dass man nicht nachsieht, welches Schiff zerstört wurde", erklärte Brukner. "Denn dann würde der Überlagerungszustand zusammenbrechen und wäre nicht mehr nutzbar." Der "Nutzen" bezieht sich dabei natürlich nicht auf das Gedankenexperiment mit den zwei Raumschiffen. Vielmehr sieht Brukner Potenzial für die Weiterentwicklung von Quantencomputern. Sie nutzen die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik und wären so theoretisch in der Lage, Probleme zu lösen, an denen klassische Rechner zwangsläufig scheitern.

Auf Basis der neuen Theorie könnten in Zukunft auch die zeitlicher Reihenfolgen von Rechenoperationen in Quantencomputern in Überlagerung gebracht werden, was die Effizienz der Geräte noch weiter steigern könnte. "Gewisse Probleme wären so schneller lösbar als mit herkömmlichen Quantencomputern", sagte Brukner. (apa)