Quanteninformationstheorie I: Ein Kran für alle Fälle

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Seth_LloydErster Teil eines Essays von Jan Magnus Kurz, Mitglied der Gruppe Initiative Humanismus.

Some kind of theory could in principle do for physics the same explanatory work as Darwinism does for biology. This [current] kind of explanation is superficially less satisfying than the biological version of Darwinism, because it makes heavier demands on luck. But the anthropic principle entitles us to postulate far more luck than our limited human intuition is comfortable with.We should not give up hope of a better crane arising in physics, something as powerful as Darwinism is for biology.

–Richard Dawkins

Sideways falling, more will be revealed my friend,

Don´t forget me I can´t hide it, come again get me exited.

–Red Hot Chili Peppers – Don´t Forget Me

Der folgende Text behandelt thematisch das hochaktuelle Forschungsgebiet der Quanteninformationstheorie mit Fokus auf die Entstehung komplexer Strukturen im Universum durch Mechanismen der Quanteninformationsverarbeitung. Inhaltlich konzentrieren sich die dargestellten Beschreibungen und Erklärungen stark an den Arbeiten und Werkenvon ProfessorSeth Lloyd, leitender Wissenschaftler des Research Laboratory of Electronics (RLE) und Direktor des Zentrums für Extreme Quantum Information Theory (xQIT) am MIT. Gegenwärtig beschäftigt sich der Entwickler derersten funktionsfähigen Anleitung zum Bau von Quantencomputern unter anderem mit einer Vereinheitlichung von Gravitation und Quantenmechanikdurch Quantensschaltkreise. Um den Rahmen dieses Artikels nicht ausufern zu lassen, beschränke ich mich nach dem deskriptiven ersten Teil des Textes im zweiten Part auf eine sehr oberflächliche Einführung des „Computational-Universe-Modells“, welches ausreichen sollte, um ein schlüssiges Fazit zu ziehen. Interessierten Lesern mit Vorbildung in Quantenphysik und besseren Englischkenntnissen sei darum ein Blick in die Quellmaterialien, insbesondere Lloyd´s eigenes Buch zum Thema sehr empfohlen.

 

Professor Richard Dawkins bezeichnet Darwins „Gefährliche Idee“, veröffentlicht im Jahre 1859 in Buchform mit dem Titel „On The Origin Of Species“ und ihre vielfältigen Verbesserungen in Form der synthetischen Evolutionstheorie, der Theorie der egoistischen Gene und Meme und der Abiogenese in seinem bekannten religionskritischen Werk „Der Gotteswahn“ (2006) sehr zu Recht als bewusstseinserweiternder Kranmechanismus zu Erklärung komplexen Lebens. Heute, im Jahre 2014, wissen wir besser als eh und je darüber Bescheid, auf welche Art und Weise sich das Leben auf unserem Blauen Punkt im All über Milliarden von Jahren hin entwickelt hat. Sei es von den zarten, chaotischen Anfängen der Selbstorganisation von Biomolekülen in den primordialen Ozeanen und Wassertümpeln bis zur komplexesten Struktur im erforschten Universum: dem menschlichen Gehirn. Wer dieses unvergleichlich elegante Konzept bestehend aus den Kernmerkmalen Variabilität, Drift, Mutation und Selektion einmal vollendet erfasst hat, dem entlocken naive eisenzeitliche Schöpfungsgeschichten 2000 Jahre alter, nahöstlicher Wüstenvölker bestenfalls ein mitleidiges Lächeln. Doch so umfassend und zuverlässig dieses Konzept bei allen selbstorganisierten Systemen funktioniert, einen vollständig universellen Charakter zur Erklärung der Welt besitzt die Evolutionstheorie leider nicht. Fernab der Biologie, Biochemie und Medizin ist bislang noch kein größerer Kran entdeckt worden, welcher innerhalb der Physik eine parallele, eventuell gar übergeordnete Rolle beim Verständnis des Kosmos spielen könnte und wir wissen nicht, wie all die Komplexität im Universum zustande kommt, die zudem sogar dem 2. HS der Thermodynamik, einem Naturgesetz, zuwiderzulaufen scheint  – zumindest galt diese Ansicht bis Anbeginn dieses Jahrtausends. Doch seither ist viel geschehen und der wissenschaftliche Fortschritt steht nicht still.

Man muss nicht unbedingt ein Quantenphysiker, Astronom oder Raumfahrtingenieur sein, um zu bemerken, dass das Universum ein sehr komplexes Gebilde ist. Es genügt vielmehr schon ein Blick aus dem Fenster: dort sieht man Bäume und Pflanzen, Vögel und Menschen, Autos, Bauwerke. Wirft man einen Blick in den Himmel so entdeckt man Wolkenformationen, Flugzeuge, eventuell je nach Witterung einen Regenbogen und darüber hinaus bei Nacht Sterne, Planeten, Nebel und Galaxien. Das Universum ist randvoll mit Vielfalt und Komplexität. Aber wie kommt das? Die enorme Komplexität des Kosmos mutet bizarr an, denn wir wissen gut Bescheid über seinen Ursprung.

Die Geschichte unseres Universums nahm vor 13,76 Milliarden Jahren ihren Anfang, indem sowohl Energie und Information, als damit auch Zeit und Raum selbst aus einem Zustand des absoluten Nichts, einem sogenannten virtuellen Quantenvakuum blitzartig in Existenz traten. Diese Existenz begann als winziger Punkt mit der Kantenlänge von 10-43 Metern (der Planck-Länge) als sogenannte Singularität, welche sich mit riesiger Geschwindigkeit ausbreitete und dabei abkühlte. Dieser Vorgang ähnelte einer Supernova Explosion und wird heute als Urknall bezeichnet. Bereits nach kurzer Zeit war unser Universum so stark angewachsen und abgekühlt, dass die Energie darin zu Materie kondensierte, zunehmend stark verklumpte und schließlich Elementarteilchen und Wasserstoffatome formte. Unter dem Einfluss der Gravitationskraft folgten später Galaxien, Sterne und Planeten,  auf mindestens einem der letzteren Selbstorganisation und Evolution: das Leben. So weit so gut, aber es gibt bei dieser kosmischen Entwicklung ein entscheidendes Problem: die Singularität, aus welcher der Kosmos entstand, war absolut uniform. Sie enthielt keinerlei Komplexität oder Unordnung, ihr Informationsgehalt war gleich Null. Gleiches gilt auch für das Taschenuniversum, das einige Planck-Zeiten später durch Inflation daraus entstand. Die Energie in diesem Universum war so regelmäßig verteilt, dass im Vergleich zu dieser Uniformität die höchste Erhebung der Erdoberfläche nicht einmal halb so groß wie ein Maulwurfshügel gewesen wäre. Dazu kommt der Umstand, dass die Gesetze der Physik ebenfalls extrem einfache Regeln darstellen. Die entscheidende Frage lautet daher: wie kann aus einem sehr einfachen Ausgangszustand und ebenso einfachen Naturgesetzen als Regelwerke für dessen Entwicklung nach Milliarden Jahren solch unendliche Komplexität entstehen, die wir überall beobachten? Nach unserem heutigen Verständnis ist es für ein Universum offenbar nicht sonderlich schwierig aus einem raum- und zeitlosen Vakuum spontan in Existenz zu treten und damit das Potential unsers Weltalls zu schaffen. Das große Rätsel war bislang eher, wie aus diesem homogenen Anfang mit simplen Regeln ein komplexes Gebilde entsteht. Sehen wir uns also an, welche Mechanismen unsere Welt kompliziert, interessant und damit erst lebenswert machen.

In Anlehnung an ein kapitalistisches Credo kann man behaupten, dass im Universum die Regel gilt: „Wer viel hat dem wird gegeben. Wer aber wenig hat, dem wird auch noch genommen, was er hat.“ Verantwortlich dafür ist eine der vier Naturkräfte, die Gravitation. Wie oben beschrieben ist sie es, die Materie dazu veranlasst sich zusammen zu ballen und das Universum allmählich verklumpen lässt. So entwickeln sich aus interstellaren Wasserstoffwolken langsam Zusammenballungen in dichten, heißen Zentren, die schließlich zu Galaxien heranreifen. Innerhalb derer bilden sich durch den gleichen Mechanismus zunächst Sterne und später aus schweren Elementen auch Planeten. Die Gravitationskraft mag es nicht, wenn die Dinge homogen verteilt sind, sondern verursacht gerne Chaos und Durcheinander. Winzige Ungleichheiten werden fast grenzenlos verstärkt. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass bereits aus kleinen Ungleichverteilungen von Energie und Materie mit der Zeit große Differenzen und Konzentrationsgefälle erwachsen. Eine minimale Abweichung vom Mittelwert, die Verschiebung des einzelnen Elektrons im Wasserstoffatom eines Nebels für den Bruchteil einer Sekunde, z.B. durch die Kollision mit einem Lichtquant, kann aus einer Staubwolke eine Galaxis so groß und Komplex wie unsere Milchstraße entstehen lassen – mit ihrem gesamten Inhalt, einschließlich uns selbst. Es ist das gleiche Prinzip wie bei dem berühmten „Butterfly Effect“, bei dem der Flügelschlag eines Schmetterlings in der Gegenwart irgendwo anders auf der Welt später im Sommer durch Chaosmultiplikation innerhalb der Atmosphäre einen Tornado verursacht.

Dennoch gilt für die Gravitation, dass ihr Einfluss nicht die Ursache für eine Energie- oder Materiefluktuation darstellt, sondern erst in der Folge davon Regie führt. Was uns fehlt ist ein Initialzünder, der es von sich aus ermöglicht, ganz ohne Zutun der fundamentalen Naturkräfte Dichteunterschiede in Materie und Energie entstehen zu lassen, damit Gravitation das Ruder übernehmen kann. Diesen Mechanismus gibt es. Bekannt ist er seit den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts, sein Name: Quantenmechanik. Die Quantentheorie ist die beste Beschreibung der Natur, welche die Wissenschaft jemals hervorgebracht hat. Kein anderer Funktionsmechanismus kann ihr an Zuverlässigkeit und Präzision das Wasser reichen. Sie beschreibt wie sich alle Materie und Energie im Kosmos auf unterster, fundamentaler Ebene verhält. In den Worten des britischen Physikers Paul Davies ausgedrückt erklärt sie das Verhalten des „ontologischen Kellers der Realität“. Sie ist universell gültig, unabhängig von der Größe der beschriebenen Strukturen. Auf kleiner Ebene erklärt sie die Eigenschaften und das Verhalten von Materie-Elementarteilchen und den Austauschteilchen von dreien der 4 Naturkräfte (d.h. außer die Gravitation). Auf etwas größerer Skala beschreibt Quantenmechanik die Existenz von Atomen, Molekülen und Organismen wie sie und mich und auf höchster Ebene schließlich Sterne, Planeten, Galaxien und das gesamte Universum. Die Gesetze der Quantenmechanik sind verantwortlich für das Hervorgehen von Details und Strukturen im Kosmos. Quantenmechanik erwirkt im Zusammenspiel mit der Gravitationskraft die Entstehung von  Komplexität im Universum aufgrund ihrer intrinsisch zufälligen Natur. So kontraintuitiv es auch wirken mag: die Quantennatur des Universums erwirkt die Entstehung von Struktur und Komplexität im Universum, weil sie inhärent unbestimmt ist. Das frühe Universum war nach seiner Entstehung uniform, die Energie überall gleich verteilt. Angriffspunkte für die Entwicklung von Chaos und Unordnung durch Gravitationseinfluss bestanden nicht – vorerst zumindest. Denn die Energiedichte war letztlich nicht exakt hundertprozentig gleich, denn das konnte sie dank der Quantennatur der Welt gar nicht sein. In der Quantentheorie haben Quantitäten wie Ort, Geschwindigkeit und Energiedichte keine exakten Werte, sie sind immer in Bewegung und fluktuieren. Man kann einer Eigenschaft zwar Wahrscheinlichkeiten zuordnen, beispielsweise die Position eines Elementarteilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt ungefähr bestimmen, aber absolute Gewissheit gibt es für diese Angaben nicht. Denn ein Elementarteilchen ist immer an vielen Orten zugleich und das mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (bekannt als Welle-Teilchen-Dualismus). Diese Eigenschaft legten auch die Photonen an den Tag, aus denen das frühe Universum ausschließlich bestand. Zwar waren sie absolut gleichmäßig verteilt, doch schon nach kurzer Zeit führten Fluktuationen dazu, dass zwei benachbart umhergeisternde, über mehrere Positionen „verschmierte“ Lichtquanten zufällig miteinander kollidierten und wechselwirkten. Und mehr brauchte es nicht, damit die Gravitation an diesem Zentrum ansetzen konnte. Natürlich wiederholen sich solche Vorgänge unzählig oft, nicht nur in dieser Frühphase, sondern zu jedem Zeitpunkt während der Entwicklung unseres Kosmos bis in unsere Gegenwart hinein. Jede Galaxis, jeder Stern und Planet verdankt seine Masse und Position, seine gesamte Existenz solchen Quanteninteraktionen in grauer Vorzeit. Jeder Wurf des Quantenwürfels injiziert ein paar mehr Details in unsere Welt und indem sie durch die Naturkräfte, allen voran der Gravitation akkumuliert werden, bilden sie die Samen für die Vielfalt im Universum. Jeder Baum, jeder Ast, jedes Blatt, jede Zelle und der Strang von DNA darin verdankt seine hochkomplexe Form einem Wurf des Quantenwürfels in ferner Vergangenheit. Das Spielen um Geld mag verheerend sein, aber das Würfeln mit Quanten ist essentiell.       

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Der zweite Teil (mit umfassenden Literaturangaben) wird zeitnah hier zu lesen sein.

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2 Antworten auf Quanteninformationstheorie I: Ein Kran für alle Fälle

  1. Wilfried Müller sagt:

    Richard Dawkins klagt, die Evolution gäbe nur in der Biologie zufriedenstellende Erklärungen, bei der Physik setze sie viel zuviel Glück voraus, als dass man mit ihren Erklärungen zufrieden sein könnte. Der Artikel besagt das Gegenteil, nämlich dass die kosmische Evolution eh klar sei, nur die Nichthomogenität bedürfe zusätzlicher Erklärung, und die liefert der intrinsische Quantenzufall. Ich stimme dem Artikel zu und widerspreche Dawkins.

    Neuere wb-Links zum Thema:

  2. @"größerer Kran" für Physik usw.: Den gibt es, es sind die emergenten selbstorganisierten Prozesse. Vgl. z.B. http://www.emergenz-netzwerk.de

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