Ist DAS, das Ende von Quanten Computern?

Halt! Bevor es weitergeht, eine ganz wichtige Meldung: Wie du es vielleicht raushören kannst, bin ich ziemlich erkältet. Ich komme momentan nicht dazu, Videos zu machen, aber halb so wild. Was du jetzt kriegst, ist nämlich eine Zusammenfassung von vielen Videos, die thematisch zusammenpassen und mit dem Thema Quantencomputer zu tun haben. Würde mich also freuen, wenn du dir das anschauen würdest, es teilen würdest und auch einen Kommentar setzen würdest. Ich bedanke mich. Ich hoffe, die Folgen werden dir gefallen, die sind meiner Meinung nach ziemlich cool, und ich sehe dich vielleicht am Sonntag wieder, wenn es mir besser geht.

Zu Beginn des Jahres haben einige Experimente von Forschern am CCQ etwas völlig Unglaubliches erreicht: Sie haben die Grenzen dessen, was man mit dem klassischen Rechner, also einem gewöhnlichen Computer, machen konnte, gesprengt. Die altmodische, binäre Technologie der normalen Computer knackte nicht nur ein Problem, das als einzigartig für die Quantenverarbeitung galt, sondern übertraf diese sogar um ein Vielfaches. Wie war das möglich? Ein Quantencomputer sollte doch um so vieles leistungsfähiger sein als ein gewöhnliches binäres System, und dennoch scheint hier eine kleine Revolution stattgefunden zu haben. Macht das Quantencomputer überflüssig?

Nun, um zu verstehen, warum das so erstaunlich ist, müssen wir kurz die grundlegenden Unterschiede zwischen den klassischen Computern und Quantencomputern erklären. Klassische Computer arbeiten mit Bits, also eine Einheit, die entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen kann. All die Berechnungen, die ein Computer durchführt, basieren auf Kombinationen dieser 0 und 1 Zustände, was bedeutet, dass er bei komplexen Aufgaben viele Schritte hintereinander durchführen muss. Quantencomputer hingegen basieren auf Qubits, die nicht nur in den Zuständen 0 und 1 existieren können, sondern auch in einer sogenannten Überlagerung von beiden gleichzeitig. Man kann sich das wie einen Lichtschalter vorstellen: Bei einem PC muss er entweder 0 oder 1 sein, damit es irgendwer lesen kann. Doch in einem Quantencomputer ist er gleichzeitig an und aus; er kann beides sein – ein Zustand, der für klassische Computer unmöglich ist. Dank dieser Überlagerung können Quantencomputer viele, wirklich viele mögliche Zustände gleichzeitig berechnen und komplexe Probleme extrem effizient lösen, die bei einem klassischen Computer viel Zeit benötigen würden.

Herz hat ein Team von Physikern am Flatiron Institute in den USA untersucht, warum klassische Computer bei einer Aufgabe so gut abgeschnitten haben, die eigentlich für Quantencomputer gedacht war. Was ist hier also wirklich passiert? Das besprechen wir in dieser Episode, also bleibt dran! Also, um diese Leistung zu verstehen, muss man sich zunächst das Problem selbst ansehen. Es handelt sich um die Simulation der Dynamik eines sogenannten Transversalfeld-Ising-Modells, kurz TFI. Stell dir vor, du willst das Verhalten von Magneten simulieren, die in einem bestimmten Muster aufgestellt sind und jeweils entweder nach oben oder nach unten ausgerichtet sind. In der Physik spricht man hier von Spins, die in eine bestimmte Richtung zeigen. Diese Ausrichtung kann sich verändern. Das merken wir mal kurz, okay? Das Modell hingegen ist ein mathematisches Modell, das ursprünglich in der Statistik und Physik entwickelt wurde, um Magnetismus zu beschreiben. Es geht darum, wie sich magnetische Spins, also die Ausrichtung von Teilchen, unter bestimmten Bedingungen anordnen und verhalten. Doch beim Transversalfeld-Ising-Modell handelt es sich um eine erweiterte Form des Modells, die an die Quantenphysik angepasst ist, also bei dem zusätzlich ein Transversalfeld ins Spiel kommt. Dieses zusätzliche Feld verändert die Wechselwirkung zwischen den Spins der Teilchen und sorgt für eine interessante und dynamische Effekterweiterung. So beschreibt das TFI-Modell die Ausrichtung und Wechselwirkung von Spins in einem Teilchen-Array, das durch verschiedene physikalische Faktoren beeinflusst wird. Was, um es vereinfacht auszudrücken, heißt: Das Transversalfeld-Ising-Modell beschreibt, wie sich die Ausrichtung von Spins, also die kleinen magnetischen Momente, die wir am Anfang besprochen haben, in einem Netzwerk von Teilchen verhält. Normalerweise sind die Spins in einem System entweder ausgerichtet oder entgegengesetzt, und in diesem Modell kommt nun ein zusätzliches Feld ins Spiel, das die Spins beeinflusst, sodass sie nicht nur in eine Richtung zeigen. Dieses zusätzliche Feld verändert die Wechselwirkung zwischen den Spins und sorgt für komplexe Verhaltensweisen und interessante dynamische Effekte im System, was das TFI-Modell nicht nur zu einem theoretischen Konstrukt macht, sondern auch eine praktische Herausforderung darstellt. In der Quantenmechanik existieren nun mal diese Teilchenzustände, die sind unscharf, sie sind nicht genau festgelegt, was die Simulation und Berechnung auf klassischen Computern extrem schwierig macht. Doch Quantencomputer wurden speziell dafür entwickelt, um mit solchen Problemen fertig zu werden, da sie die Prinzipien der Quantenmechanik selbst nutzen, wie Superposition und Verschränkung, um natürlich die Berechnung viel schneller und effizienter als klassische Computer durchzuführen. Im Quantencomputing würde ein Computer mit einer Vielzahl von Zuständen gleichzeitig arbeiten können, wodurch er Probleme wie das TFI-Modell viel schneller lösen könnte als ein klassischer Rechner. Doch dann kam der überraschende Durchbruch: Ein Team unter der Leitung von Joseph Tendel und drei Cells – der Name ist schwierig – vom Flatiron Institute zeigten, dass klassische Computer, die traditionell nur mit 0 und 1 als Basis arbeiten, ebenfalls in der Lage sind, dieses Quantenproblem zu lösen, und nicht nur in der Lage sind, sie können es übertreffen. Wie war das möglich? Nun, die Antwort liegt in einem Phänomen, das als Confinement bekannt ist. Confinement bezeichnet die Art und Weise, wie Teilchen in einem System zusammengehalten werden. Es verhindert, dass sich die Teilchen übermäßig ausbreiten oder entwirren, was die Systemdynamik tatsächlich stabilisiert. Es ist wie ein Umhang, der auf die Teilchen gelegt wird und das Ganze ein wenig klarer und deutlicher macht. In einfachen Worten: Durch das „eingesperrt sein“ der Teilchen entstehen sehr stabile Zustände, die sich in einem Quanten- oder klassischen System einfach nur leichter berechnen lassen. Man kann sich das wie ein tatsächlich Puzzleteil vorstellen: Wenn man nur eine kleine Ecke eines riesigen, chaotischen Puzzles lösen muss, ist das viel einfacher als wenn man das gesamte unübersichtliche Puzzle auf einmal angehen muss. In diesem speziellen Fall führten die Forscher ihre Berechnung so durch, dass sie die Wechselwirkung zwischen den Teilchen im TFI-Modell durch das Konzept von Confinement einfacher darstellten. Sie lösten erst ein kleines Teilchen des Puzzles und nicht das ganze Teil auf einmal. Die Resultate zeigen, dass der Zustand des Systems, also die Anordnung der Teilchen, nicht in einem völlig chaotischen Zustand bleibt, sondern in einer geordneten Struktur verharrt, die sich dann sehr langsam verändert. Das wirklich Überraschende an der Arbeit der Forscher war, dass sie zeigten, dass das klassische Computermodell mit Hilfe von Confinement die Berechnung des TFI-Modells genauso gut durchführen kann wie ein Quantencomputer, und zwar sogar effizienter und präziser. Durch eine Reihe von Simulationen und Algorithmen konnten sie nachweisen, dass die klassischen Systeme, die normalerweise auf binären Berechnungen basieren, durch Confinement den erforderlichen Quantenzustand erreichen können, ohne auch die komplexen und potentiell fehleranfälligen Methoden eines Quantencomputers zurückgreifen zu müssen. Wir können hier also sogar Fehler eliminieren; es ist deutlich präziser. „Es ist nicht so, dass wir völlig neue Technologien erfunden haben“, erklärt Tindler, „wir haben einfach viele bestehende Ideen auf eine prägnante und elegante Weise kombiniert, um das Problem zu lösen.“ Dabei war der entscheidende Punkt, dass sie erkannt haben, wie wichtig die Begrenzung im TFI-Modell ist und wie diese genutzt werden kann, um das System berechenbar zu machen. Diese Entdeckung stellt die Erwartung und das Potenzial von Quantencomputern meiner Meinung nach ein wenig in Frage, denn obwohl Quantencomputer theoretisch in der Lage sind, Probleme wie das TFI-Modell schneller zu lösen, haben die Ergebnisse der Forscher gezeigt, dass wir bestimmte Arten von Berechnungen mit klassischen Computern durchführen können, die Quantencomputer übertreffen können. „Das TFI-Modell zeigt uns, dass es eine klare Grenze zwischen den Möglichkeiten von klassischen und Quantencomputern gibt“, sagen die Forscher in einer Stellungnahme. Stellungnahme. Stellungnahme. Stellungnahme. Egal. Im Moment ist diese Grenze allerdings noch ziemlich unscharf. Die Arbeit hilft dabei, diese Grenze dann doch irgendwie klarer zu definieren und zu verstehen, wo die Stärken und Schwächen beider Technologien liegen. Diese Entdeckung lässt vermuten, dass für bestimmte Aufgaben klassische Computer weiterhin eine Rolle spielen werden, auch wenn Quantencomputing in anderen Bereichen der Wissenschaft und Technik die Zukunft prägen könnte. Trotzdem bleibt Quantencomputing ein faszinierendes und mächtiges Werkzeug. Oder was meint ihr? Schreibt es mir in die Kommentare! Ich bedanke mich fürs Zuschauen und hoffe, euch in der nächsten… Ach so ja, die Forschung findet ihr natürlich unten in der Videobeschreibung, wie immer. Ne, einen Daumen nach oben hinterlassen, das würde mich nämlich sehr unterstützen. Wenn ihr Bock habt, unterstützt mich auf Patreon. Bis dann. Okay, das ist ziemlich verrückt!

Erst vor zwei Tagen berichtete ich über ein Experiment, in dem ein klassischer Computer eine scheinbar für Quantencomputer optimierte Aufgabe präziser und schneller lösen konnte. Doch jetzt hat ein Forscherteam aus China und den USA eine vollkommen neue Entdeckung gemacht, die die Grenzen dessen, was Quantencomputer leisten können, tatsächlich neu definiert. Und nicht nur das: Zum ersten Mal haben Physiker einen Quantenprozess und einen Zustand der Materie erzeugt, der der Physik tatsächlich zu trotzen scheint. Es ist ein Durchbruch, der ein Schritt in Richtung einer praktischeren Nutzung von Quantencomputern sein könnte – also eine komplette 180°-Wende zu dem Video davor. Aber was bedeutet das, und warum ist diese Entdeckung so bedeutend? Nun, bevor wir da richtig tief reingehen – und es tut mir sehr leid dafür – aber wir müssen die Basics abklären, okay, damit wir einfach nur alle gemeinsam gut nachvollziehen können, was hier passiert. Also gut, anschnallen: Es wird eine lange und wilde Reise. Quantencomputer sind tatsächlich faszinierende Geräte, deren Potenzial die Vorstellungskraft – na ja – vieler beflügelt. Sie versprechen, komplexe Probleme in der Physik, Pharmakologie und vielen anderen Bereichen schneller und effizienter zu lösen. Doch während die Theorie hinter diesen Computern oft thematisiert wird, bleibt ein Aspekt erstaunlich unsichtbar: Wie genau interagieren wir mit diesen Maschinen? Ein kluger Zuschauer meines Videos hat kürzlich genau das angesprochen und einen wichtigen Punkt gemacht. Er fragte, warum wir fast immer nur die Geräte selbst sehen, aber nie, wie wir sie tatsächlich benutzen oder wie sie funktionieren. Haben Quantencomputer Maus und Tastatur? Gibt es eine Benutzeroberfläche, oder sieht die Interaktion völlig anders aus? Diese Fragen sind absolut berechtigt, denn sie berühren den praktischen Zugang zu einer Technologie, die so oft als revolutionär bezeichnet wird. Aber die Wahrheit sieht ganz anders aus. Da Quantencomputer nicht wie herkömmliche Rechner aufgebaut sind, könnten wir uns tatsächlich vorstellen – weder äußerlich noch in ihrer Nutzung. Die Benutzeroberfläche eines Quantencomputers ist derzeit oft eine schlichte Verbindung zu einem klassischen Computer, über den man Quantenalgorithmen in Form von Programmcodes übermittelt. Diese Algorithmen werden in speziell angepassten Programmiersprachen geschrieben, wie beispielsweise Qiskit, Qiskit, Qiskit, oh mein Gott! Auf jeden Fall die Sprache von IBM oder Cirq von Google. Während der eigentliche Quantenrechner die komplizierten Berechnungen durchführt, erfolgt die Interaktion also meistens über eine cloudbasierte Plattform. Maus und Tastatur oder ein grafisches Betriebssystem wie bei einem PC sucht man hier also vergeblich. Stattdessen sieht die Arbeit mit einem Quantencomputer oft aus wie ein Fernzugriff, bei dem der eigentliche Computer irgendwo in einem hochspezialisierten Labor steht. Die Ergebnisse kommen dann in digitaler Form zurück und müssen oft erst durch klassische Computer analysiert werden, um sie vollständig zu verstehen. Der Grund, warum man diese Interaktion so selten zu sehen bekommt, ist simpel: Quantencomputer sind noch in einer Phase, in der sie vor allem für spezialisierte Anwendungen und von Experten genutzt werden. Für den Alltag fehlen also noch tatsächlich entscheidende Schritte, sowohl was die Fehlerkorrektur angeht als auch die Benutzerfreundlichkeit. Doch genau diese Entwicklungen sind essentiell, wenn Quantencomputer irgendwann ein breites Publikum erreichen wollen. Und genau hier kommen wir zu dem Knackpunkt des heutigen Videos. Also, Quantencomputer versprechen eine Ausweitung der Arten von Algorithmen, die schnell praktisch ausgeführt werden können, was die Forschung z. B. in vielen Bereichen – von der Teilchenphysik (was natürlich sehr wichtig ist) über die Pharmakologie bis hin zur Meteorologie – sehr beschleunigen könnte. Bei der Entwicklung der Grundlagen dieser Technologie wurden auch enorme Fortschritte erzielt. Doch wenn die Technologie in größerem Maßstab eingesetzt wird, wurden Fehler zu einem sehr großen Hindernis. Die Fehler, die bei Quantencomputern auftreten, sind hauptsächlich auf extreme Empfindlichkeiten ihrer Qubits zurückzuführen. Qubits, die fundamentalen Bausteine eines Quantencomputers, sind in quantenmechanischen Zuständen, die unglaublich instabil sind – so wie ich – und sind auch anfällig für äußere Einflüsse wie Temperatur, elektromagnetische Störungen oder sogar kleinste Vibrationen. Diese Störungen können dazu führen, dass die Qubits ihre Information verlieren oder fehlerhafte Ereignisse liefern – ein Prozess, der als Dekohärenz bezeichnet wird. Also, Quantencomputer haben eine Fehlerquote, die leider nicht zu vernachlässigen ist, wenn man Quantencomputer skaliert. Doch indem ein Team von Physikern aus China und den USA experimentell einen Quantencomputer dazu bringt, sich wie eine robuste Form eines Zeitkristalls zu verhalten, hofft es, die Technologie weniger fehleranfällig zu machen, wenn sie skaliert. Und ich habe jetzt oft das Wort „skaliert“ erwähnt, und das mag vielleicht jedem verständlich sein, aber ich erkläre es noch mal: In diesem Zusammenhang bedeutet „skaliert“, dass die Technologie auf größere und komplexere Systeme aufgeweitet – ausgeweitet – Verzeihung – um mehr Qubits und Rechenkapazität zu integrieren. Aktuelle Quantencomputer haben oft nur eine relativ geringe Anzahl von Qubits, wodurch ihre Leistung begrenzt ist. Um praktische Anwendungen im großen Maßstab zu ermöglichen, müssen Quantencomputer so weiterentwickelt werden, dass sie nicht nur mehr Qubits enthalten, sondern auch diese fehlerfrei miteinander interagieren können. Und dafür sind Zeitkristalle notwendig. Es sind Gruppen von Teilchen, die sich in einem Muster tatsächlich wiederholen. Während also die Muster in den regulären Kristallen, wie Diamant oder Quarz – sie bewegen sich nämlich durch den 3D-Raum – sie sind in einem 3D-Raum aufgestellt – doch die Zeitkristalle bewegen sich periodisch, wie ein… Sie bewegen sich periodisch wie ein Pendel, allerdings in der Zeit. Doch was sie wirklich, wirklich einzigartig macht, ist ihre Fähigkeit, dies in Abwesenheit von einem Impuls zu tun. Zeitkristalle oszillieren in ihrem niedrigsten Energiezustand, und das tun sie in ihrem eigenen Rhythmus, wie ein Kind, das in seiner Schaukel sich selbst schaukelt. Und die Idee – also die Idee der Zeitkristalle selbst, die der renommierte Physiker Frank Wilczek 2012 vorschlug – wurde zunächst von vielen Zweiflern angezweifelt. Seitdem wurde eine Reihe von Systemen mit zeitkristallähnlichem Verhalten experimentell nachgewiesen, die tatsächlich Ingenieuren ein bewährtes neues Werkzeug zur Messung und Gestaltung der Welt und eine sogar potentielle Lösung für die Genauigkeitsproblematik im Quantencomputing soll. Selbst in Deutschland wurde ein Zeitkristall für eine unendliche Laufzeit stabilisiert, und ich selbst habe mit dem Hauptforscher dieser Studie und des Experiments ähm ein Interview geführt, das kannst du gerne hier nachschauen. Während also die herkömmliche Datenverarbeitung auf Logik beschränkt ist – also die herkömmliche Datenverarbeitung auf normalen Computern, die basiert nämlich auf binärem Code, also durch Einsen und Nullen – hier wird durch Einsen und Nullen dargestellt und dient der Logik, weil sie einfach nur an und ausgemacht werden muss, um einer Logik zu folgen – die Qubits eignen sich tatsächlich für die Quanteninformatik besser, für die besondere Art von Berechnung, und sie ermöglichen natürlich die Lösung komplexer Algorithmen in nur einem einzigen Schritt. Doch solange dieser Schritt nicht fehlerfrei ist, haben wir ein Problem. Ein Qubit ist tatsächlich eine Unschärfe der Möglichkeiten. Und jetzt gut aufpassen, denn ich bringe eine Analogie, die tatsächlich ein bisschen komplexer ist: Also, ein Qubit ist eine Unschärfe der Möglichkeiten, nicht unähnlich einem freien Kartentisch, bevor der Kartengeber eine Farbe als rot oder schwarz offenbart. Genau wie ein Kartenzähler die Chancen zu seinen Gunsten nutzen kann, nutzt das Quantencomputing das einem Qubit innewohnende Potenzial, um Berechnungen durchzuführen. Wenn man Qubits kombiniert, indem man ihre – na ja – Schicksale miteinander verschränkt, erhält man ein größeres Kartenspiel und kann die Chancen auf immer nützlichere Weise verändern. Leider können sich Qubits mit so gut wie allem in ihrer Umgebung verschränken, wodurch die Karten zufällig neu gemischt werden und das Programm aus dem Konzept gebracht wird. Wenn man nun mal die Anzahl der Qubits auf Tausende erhöht, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich unerwünschtes Rauschen einschleicht, und die Wahrscheinlichkeit steigt drastisch an. Doch Zeitkristalle wurden schon früher als Mittel zur Verringerung von Quantenfehlern vorgeschlagen, doch es hat sich als sehr schwierig erwiesen, über die Theorie hinaus zu einer praktischen Anwendung zu gelangen. Und doch gibt es hier Hoffnung. Es gibt eine – eine sehr bestimmte Art von Zeitkristallen, der als topologisch bezeichnet wird, und der hat einen Vorteil gegenüber anderen. Also, während isolierte Oszillation innerhalb einer bestimmten Zone von Teilchen, die sich im Raum wiederholen, Zeitkristalleigenschaften aufweisen können, zeigt ein topologischer Zeitkristall die Pendelschwingung als Hauptmerkmal eines allgemeineren Systems, und zwar dank eben jenem Phänomen der Quantenverschränkung. Diese verallgemeinerte Ausbreitung der oszillierenden Aktivität ist weniger anfällig für lokale Interferenzen, weil es sich nur mal ein wenig besser ausbreiten kann und hält die Pendelschwingung in perfekter Bewegung selbst, also wenn isolierte Bereiche innerhalb des Systems aus der Ausrichtung geschoben und gestoßen werden. Und durch die erfolgreiche Programmierung einer hochstabilen Form von supraleitenden Computern, die ein topologisches Zeitkristallverhalten aufweisen, fand das Team heraus, dass es möglich ist, ein Quantensystem zu schaffen, das einfach nur viel, viel weniger anfällig für Störungen ist, indem sie mehr genau diese topologischen Zeitkristalle hinzufügen. Das System wurde auch auf Herz und Nieren geprüft und konnte mit einem angemessenen Maß an simuliertem Umgebungsrauschen umgehen, und es bleibt dabei relativ stabil. Das Experiment spiegelte auch das Potenzial wider, ähnliche supraleitende Schaltkreise zu verwenden, um den Bereich der Nichtgleichgewichtsbewegung zu erforschen, der tatsächlich durch die Zeitkristalle dargestellt wird. Als Proof of Concept könnte das Ticken der Zeitkristalle einen wichtigen Platz in der Zukunft der Technologie einnehmen und sie tatsächlich zu einem Werkzeug für die Mehrheit machen. Die Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht und ist auch für dich zum Nachlesen in der Videobeschreibung zu finden.

Bisher ist es noch niemandem gelungen, durch die Zeit zu reisen, zumindest nach meinem letzten Stand, sonst würde mich längst jemand aufhalten mit dem, was ich hier vorhabe. Aber die Frage, ob ein solches Kunststück theoretisch möglich wäre, fasziniert die Wissenschaftler nach wie vor. An sich ist Zeitreise in die Zukunft kein Problem; da gibt es keine komischen Paradoxien, die auftreten können. Und in die Zukunft wortwörtlich zu reisen haben wir auch bereits mehrmals getan, zwar nur Bruchteile von Sekunden, aber Astronauten im Weltall, durch die Geschwindigkeit, mit der sie um die Erde kreisen, reisen tatsächlich ein wenig in die Zukunft oder bewegen sich durch die Zeit einen Tick schneller als wir „Larmärsche“ hier auf der Erde. Doch Filme wie Terminator, Donnie Darko, Zurück in die Zukunft und viele andere zeigen, dass das Herumreisen in der Zeit eine Menge Probleme für die grundlegenden Regeln des Universums mit sich bringt. Wenn man in der Zeit zurückreist und z. B. verhindert, dass sich seine Eltern treffen, wie kann man dann überhaupt existieren, um in die Vergangenheit erst zu reisen? Oder um es anders zu beschreiben: Wenn du in die Vergangenheit reist und deinen eigenen Großvater tötest, bevor dein Vater oder deine Mutter geboren wurden – also das sogenannte Großvater-Paradoxon – das Problem dabei ist, dass wenn du in die Vergangenheit zurückreist und deinen Großvater tötest, deine Eltern niemals geboren werden können und somit auch du nicht. Aber wenn du nicht existieren kannst, wer hat dann die Reise in die Vergangenheit unternommen und dieses Ereignis überhaupt erst ausgelöst? Genau hier gerät die Logik ins Wanken. Das Universum scheint Regeln zu haben, die solche Widersprüche nicht zulassen würden, zumindest nach dem Verständnis der klassischen Physik. Doch vor ein paar Jahren fand der Physikstudent Jim Tobar von der University of Queensland in Australien eine mathematische Lösung, die Zeitreisen ohne Paradoxien ermöglichen könnte. Und genau dies werden wir in der heutigen Folge besprechen. „Die klassische Dynamik besagt, dass wir, wenn wir alle Informationen über den Zustand eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt haben, wir berechnen können, wie sich dieses System in der Vergangenheit und in der Zukunft entwickeln wird“, erklärte Tobar im Jahr 2020. Mit anderen Worten: In der klassischen Physik ist alles vorhersehbar, solange wir die Ausgangsbedingung genau kennen. Doch hier haben wir ein Problem: In der Theorie würde dies funktionieren, sogar in den meisten Fällen würde dies aufgehen, solange wir die Anfangsbedingung gut kennen. Da würdest du mir auch zustimmen, oder doch? In extremen Fällen – und hier müssen wir dabei bedenken, dass das Universum voll davon ist – wird dies ziemlich schwierig. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie eröffnet die Möglichkeit z. B. von Zeitschleifen. Sie beschreiben, dass in bestimmten extremen Bedingungen, z. B. in der Nähe von schwarzen Löchern oder bei sehr stark gekrümmten Raumzeitgefügen, die Zeit selbst sich biegen kann. Das bedeutet, ein Ereignis könnte in der Vergangenheit und gleichzeitig in der Zukunft existieren, wodurch die gewohnte Vorstellung von einem linearen Zeitverlauf, so wie wir es kennen – wie morgens aufstehen, Zähne putzen, zur Arbeit gehen, nach Hause kommen, League of Legends zocken, es bereuen und dann schlafen gehen – also, indem die Vergangenheit immer vor der Zukunft liegt – das wird komplett auf den Kopf gestellt. Das stellt uns vor ein riesen Problem; das Großvater-Paradoxon gerät hier ziemlich stark ins Wanken, wenn wir nicht einmal wissen, was jetzt später oder gestern ist, oder zumindest was jetzt später oder gestern passiert ist. Und die Berechnungen von Tobar zeigen, dass die Raumzeit sich möglicherweise anpassen kann, um Paradoxien erst zu vermeiden. Um ein Beispiel zu verwenden: Stell dir einen Zeitreisenden vor, der in die Vergangenheit reist, um die Ausbreitung einer Krankheit zu verhindern. Wenn also die Mission erfolgreich war, hätte der Zeitreisende keine Krankheit, die er bekämpfen müsste. Tobars Arbeit liegt nahe, dass die Krankheit dennoch auf einen anderen Weg oder mit einer anderen Methode entkommen würde, aus diesem Paradoxon, wodurch tatsächlich das Paradoxon auch aufgehoben würde. Was auch immer also der Zeitreisende tun würde oder täte, die Krankheit würde nicht aufgehalten werden. Das Universum selbst würde diese Tat nun nicht direkt verhindern, aber auch sie dennoch geschehen lassen. Die Zeitreise könnte also passieren, aber auch die Ausbreitung der Krankheit wird passieren. Na, tut dir schon der Kopf weh? Nun, also Tobars Arbeit ist tatsächlich für Nicht-Mathematiker nicht leicht zu verstehen, aber sie untersucht den Einfluss deterministischer Prozesse auf eine beliebige Anzahl von Regionen im Rahmen des Zeitkontinuums und zeigt, wie sowohl geschlossene, zeitähnliche Kurven, wie von Einstein vorhergesagt, mit den Regeln des freien Willens als auch in der klassischen Physik vereinbar sind. Was das genau heißt? Nun, okay, das war eine starke Aussage. Ich werde den Text noch mal aufbrechen und versuchen, es besser zu erklären. Also, Tobars Arbeit beschäftigt sich mit einer sehr komplexen Idee, die für viele schwer verständlich ist. Zunächst einmal: Was bedeutet überhaupt „deterministisch“? Nun, der Begriff kommt vom Determinismus, einem Konzept, das besagt, dass alle Ereignisse im Universum, einschließlich unserer eigenen Entscheidungen, vollständig durch vorherige Zustände und Naturgesetze bestimmt sind. Das heißt, es gibt tatsächlich keinen Platz für Zufall oder Unvorhersehbarkeit. Wenn wir alle Informationen über den aktuellen Zustand eines Systems haben, können wir genau vorhersagen, was als nächstes passiert. Und in Tobars Arbeit geht es darum, wie solche deterministischen Prozesse, also Prozesse ohne Zufall, auf die Struktur von Raum und Zeit angewendet werden können. Er untersucht, wie diese Prozesse in sogenannten geschlossenen, zeitähnlichen Kurven funktionieren könnten. Das sind also spezielle Szenarien, die laut Einsteins Theorie der allgemeinen Relativität durchaus möglich sind, bei denen Zeit in einer Schleife verläuft, sodass ein Ereignis sowohl in der Vergangenheit als auch in der Zukunft stattfinden könnte. Und hier zeigt Tobar auf, dass diese geschlossenen Zeitschleifen, die nach Einstein theoretisch existieren könnten, nicht unbedingt im Widerspruch zu den Prinzipien des freien Willens oder allgemein der klassischen Physik stehen müssen. Das bedeutet, dass es theoretisch möglich wäre, Zeitreisen zu machen oder in solchen Zeitschleifen zu existieren, ohne dass diese Regeln der klassischen Physik oder die Idee des freien Willens irgendwie in Frage gestellt wird. Die Mathematik stimmt also, und die Ereignisse sind der Stoff, aus dem Science-Fiction gemacht ist. Das sagt zumindest Fabio Costa von der University of Queensland, der tatsächlich die Forschung auch leitete. Also, hier ist was sehr Interessantes passiert: Die Forscher haben also das Problem mit einer anderen Hypothese geglättet, die dann besagt, dass Zeitreisen zwar möglich sind, die Zeitreisenden aber in ihren Handlungen sehr eingeschränkt werden, um auch zu verhindern, dass sie überhaupt erst ein Paradoxon verursachen. In diesem Modell haben die Zeitreisenden die Freiheit zu tun, was sie tatsächlich wollen, aber Paradoxien sind in dem Fall nicht möglich, und somit wäre das Problem mathematisch gesehen von uns verstanden. Aber gelöst wird es durch das Universum selbst. Also, unsere Zahlen könnten tatsächlich endlich stimmen, aber die tatsächliche Beugung von Raum und Zeit, um in die Vergangenheit zu gelangen, bleibt natürlich schwer vorstellbar. Die Zeitmaschinen, die Wissenschaftler bisher entwickelt haben, sind tatsächlich so ausgeklügelt, dass sie derzeit nur als Berechnungen auf einer Seite existieren. Das heißt, wir haben nur die Theorie. Vielleicht schaffen wir es ja eines Tages. Und Stephen Hawking hielt es auf jeden Fall für möglich. Und jetzt kommt das Coole: Denn sollten wir es irgendwann mal schaffen, in die Vergangenheit zu reisen, dann könnten wir, laut diesen neuen Forschungsergebnissen, mit der Welt in der Vergangenheit machen, was wir wollen; sie würde sich einfach entsprechend anpassen. Man kann also noch so sehr versuchen, ein Paradoxon zu erzeugen, die Ereignisse werden sich anpassen, um jede Inkonsistenz zu vermeiden, so die Wissenschaftler. Also, um das abzuschließen: Die von den Wissenschaftlern entdeckten mathematischen Prozesse zeigen, dass das Zeitreisen mit freiem Willen in unserem Universum logischerweise möglich ist, ohne dass es zu einem Paradoxon kommt, wie dem Großvater-Paradoxon. Die Forschungsergebnisse wurden in Classical and Quantum Gravity veröffentlicht und sind für dich natürlich in der Videobeschreibung zu finden. Ich hoffe, das Video hat – also das hat mir gefallen – aber ich hoffe, es hat dir gefallen. Hinterlass bitte einen Daumen nach oben, das hilft mir viel mehr, als du denkst, und ein Kommentar würde mich auch sehr freuen. Ich bedanke mich fürs Zuschauen und bis zur nächsten Episode des Entropy. Ciao!

Hier ein Experiment für dich zum Nachmachen, um das Thema ein wenig besser zu verstehen, bevor wir überhaupt damit anfangen: Nimm zwei Taschenlampen, mach sie in einem dunklen Raum an und kreuze die Strahlen der Taschenlampen. Beobachte die Schatten, die die überkreuzten Strahlen an die Wand werfen. Nun, sollten bei dir keine Schatten vorhanden sein, dann hast du natürlich komplett versagt. Nein, es ist ganz natürlich, also keine Sorge. Was bei diesem Experiment auffällt, ist, dass die Strahlen einfach durcheinander hindurchlaufen, ohne dass sie einen Schatten werfen. Das liegt daran, dass gewöhnliches Licht keine Substanz besitzt, die blockieren oder einen Schatten werfen könnte, wie ein physisches Objekt es tun würde. Z. B. die Photonen, also die kleinsten Lichtteilchen, interagieren in diesem Fall nicht miteinander; sie durchdringen sich, ohne sich zu behindern, da Photonen nun mal keine Masse besitzen und sich unter normalen Umständen auch nicht gegenseitig beeinflussen können. In der Quantenmechanik gibt es allerdings spezielle Umstände, unter denen Photonen tatsächlich miteinander wechselwirken könnten, aber dafür sind extrem hohe Energien oder besondere Materialien notwendig. Laser, die eine ganz bestimmte Wellenlänge und Intensität haben, können tatsächlich diese Bedingungen manchmal schaffen, aber sie sind äußerst selten, und dann können sie, anders als Taschenlampenstrahlen, aneinander beeinflussen und sogar Licht blockieren. Dies geschieht aber nur in speziell konstruierten Experimenten und bleibt im Alltag für uns ja unsichtbar. Doch was du hier gerade siehst, ist tatsächlich ein Schatten, ein ganz…

Normaler Schatten, der mit bloßem Auge zu sehen ist, der von Licht geworfen wird – wie ist das möglich? Nun, das erfährst du in dieser Episode.

Also, Schatten entstehen, wenn Licht auf feste Gegenstände trifft, die es nicht durchdringen kann, wie Türen oder sogar deinen eigenen Körper. Wenn Lichtstrahlen auf solche Dinge treffen – und ich will deinen Körper jetzt nicht als ein Ding bezeichnen, aber wir sind wo wir sind – wird dahinter ein dunkler Bereich sichtbar, und das ist natürlich der Schatten. Licht kann sich nicht einfach durch diese Objekte hindurchbewegen, und deshalb entsteht an der Stelle, wo es blockiert wird, ein Bereich ohne Licht. Also, Licht scheint, Photonen wandern, bis sie auf ein Objekt treffen, welches sie nicht durchdringen können. Diese Blockade erzeugt einen Schatten, ein kleines Stück Dunkelheit oder die Abwesenheit von Licht. Licht selbst ist also kein fester Gegenstand, somit kann es keine Schatten werfen. Gut, das haben wir verstanden.

Doch Physiker haben kürzlich eine ungewöhnliche Entdeckung gemacht: Unter bestimmten Bedingungen kann ein Laser, wenn er durch das richtige durchsichtige Material geleitet wird, das Material auf eine Art beeinflussen, so dass es auf einmal Licht blockiert, anstatt es tatsächlich durchzulassen. Es ist, als würde der Laser sein Umfeld dazu bringen, selbst undurchsichtig zu werden, wodurch ein dunkler Bereich entsteht, fast so, als ob der Laser seinen eigenen Schatten erzeugt. Diese besondere Art, wie Licht mit Materialien wechselwirkt, ist extrem selten und funktioniert nur, wenn bestimmte physikalische Bedingungen erfüllt sind, so wie wir es in diesem Experiment erfahren haben. Wenn sich in diesem Fall also zwei Laserstrahlen auf die richtige Weise kreuzen, kann der primäre Strahl den sekundären – na ja – nicht mehr durchdringen. Es entsteht eine Schattenlinie im Licht, das auf die gegenüberliegende Oberfläche trifft und mit bloßem Auge zu sehen ist. Licht wirft in dem Fall selbst seinen eigenen Schatten. Und jetzt folgt ein Zitat: „Unsere Demonstration eines sehr kontraintuitiven optischen Effekts lädt uns ein, unsere Vorstellung von Schatten zu überdenken.“ Das sagt der Physiker Raphael Abraheo vom Brookhaven National Laboratory in den USA.

Schon am Anfang festgestellt: Außer unter ganz bestimmten Umständen drehten Photonen nicht miteinander in Wechselwirkung, und sich kreuzende Lichtwellen können einander ungeändert passieren. Wenn man also zwei Strahlen kreuzt, gehen sie durcheinander, als ob nichts wäre, als würde man einen Taschenlampenstrahl durch einen anderen leuchten lassen, wie in unserem Gedankenexperiment am Anfang. Ich werde gleich im Detail erklären, was sie gemacht haben und warum sie das gemacht haben und wie der Experimentaufbau tatsächlich war. Aber das Verrückte an dieser Entdeckung ist, dass Abraheo und seine Kollegen ursprünglich gar nicht erst das Ziel hatten, herauszufinden, ob ein Lichtstrahl einen Schatten werfen kann. Sie wollten eigentlich untersuchen, wie Lichtstrahlen sich gegenseitig beeinflussen, wenn spezielle, sogenannte nichtlineare Materialien im Spiel sind. Nichtlineare Materialien verhalten sich tatsächlich anders als normale Stoffe; ihre Reaktion auf Licht steigt nicht einfach gleichmäßig mit der Lichtintensität an. Stattdessen können sie auf besonders starke Lichtstrahlen wie Laser sehr ungewöhnlich reagieren, indem sie Effekte erzeugen wie das Verstärken oder Abschwächen des Lichts, das Verändern der Lichtfarbe oder das starke Bündeln des Lichts an einem Punkt. Zudem verwendeten sie eine 3D-Modellierungssoftware, um eine einfache Simulation für ihre Experimente zu erstellen, und in dieser Software wurde der Lichtstrahl als ein massiver Zylinder dargestellt – sieht man auch übrigens im Blender, wenn man etwas, was mit Licht zu tun hat, irgendwohin platziert. Und tatsächlich wirft dieser Zylinder einen Schatten, und das fanden die Physiker ziemlich lustig, bis sie es interessant fanden. Was als lustige Diskussion bei Mittagessen begann, führte zu einem Gespräch über die Physik von Lasern und die nichtlineare optische Reaktion von Materialien, das sagen die Forscher. Daraufhin beschlossen sie, ein Experiment durchzuführen, um den Schatten eines Laserstrahls zu demonstrieren. Also, eine völlig verrückte Idee wurde hier in Realität umgesetzt.

Dann haben sie einen Rubin benutzt; Rubin ist ein beliebtes Material für die Untersuchung von nichtlinearen Optiken, sodass die Forscher ihn als Treffpunkt für ihre beiden Laser – einen blauen und einen grünen – verwendeten. Das blaue Licht wurde auf eine Seite des Rubins gerichtet, wo es hindurchging und ein kühles Leuchten auf einem Bildschirm warf. Währenddessen verlief ein schmaler Strahl grünen Laserlichts von einer anderen Seite aus senkrecht zum ersten. Wo immer die dünne Linie grünen Lichts auf die Rubinmoleküle fiel, fand ein komplexer Tanz von auf- und absteigenden Elektronen statt. Dies hatte zur Folge, dass die etwas kürzeren Wellenlängen des blauen Lichts von den umherschwirrenden Elektronen verwirrt waren und dann konnten sie den Weg in das ansonsten lichtdurchlässige Material nicht finden; es war versperrt. Dies hatte einen Effekt zur Folge, dass der grüne Laserstrahl sich wie ein Objekt verhalten hat und erzeugte auch wiederum eine dunkle Linie im blauen Licht, die tatsächlich auf einen anderen Bildschirm auf der anderen Seite des Rubins gelandet ist. Diese dunkle Linie erfüllt alle Kriterien, um als Schatten eingestuft zu werden: Sie war mit bloßem Auge sichtbar, passte sich den Konturen des Bildschirms an, auf den sie geworfen wurde, und bewegte sich mit dem grünen Laserstrahl, wenn die Laserquelle selbst bewegt wurde. Licht warf also endlich einen Schatten.

Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und eröffnet neue Möglichkeiten, Licht in einer Weise zu nutzen, die wir bisher nicht in Betracht gezogen haben, das sagt Abraheo. Diese Entdeckung, so schattig sie auch klingt, hat tatsächlich große Auswirkungen auf unsere mögliche Zukunft. Unser Verständnis des Schattens hat sich Hand in Hand mit unserem Verständnis von Licht und Optik entwickelt, und diese neuen Erkenntnisse könnten sich in verschiedenen Anwendungen als nützlich erweisen, z.B. beim optischen Schalten bei Geräten, in denen Licht die Anwesenheit eines anderen Lichts steuert, oder bei Technologien, die eine präzise Steuerung der Lichtübertragung erfordern, wie z.B. Hochleistungslaser. Es ist verdammt cool, wenn ich es mit eigenen Worten sagen darf.

Die Forschungsarbeit wurde zur Veröffentlichung in Optica angenommen und kann auf der Vorveröffentlichungsseite, also dem Preprint-Server arXiv, eingesehen werden. Und du findest sie in der Videobeschreibung in diesem Video. Würde mich freuen, wenn du dem Video einen Daumen nach oben geben würdest und das Video teilen würdest mit Leuten, die sich dafür vielleicht begeistern würden. Ich bedanke mich fürs Zusehen und hoffe, dich in der nächsten Episode wiederzusehen. Bis dann, ciao ciao.