Die Idee der „Theorie von allem“ ist verlockend - dass wir irgendwie alles erklären könnten, was ist. Jetzt entdeckte ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Imperial College London unerwartet, dass diese Stringtheorie auch das Verhalten verschränkter Quantenteilchen vorherzusagen scheint. Da diese Vorhersage im Labor getestet werden kann, sagen die Forscher, dass sie jetzt die Stringtheorie testen können.
"Wenn Experimente beweisen, dass unsere Vorhersagen über die Quantenverschränkung korrekt sind, wird dies zeigen, dass die Stringtheorie das Verhalten verschränkter Quantensysteme vorhersagt", sagte Professor Mike Duff, Hauptautor der Studie.
Die Stringtheorie wurde ursprünglich entwickelt, um die grundlegenden Teilchen und Kräfte zu beschreiben, aus denen unser Universum besteht, und war ein beliebter Anwärter unter Physikern, um das, was wir über das unglaublich Kleine aus der Teilchenphysik wissen, mit unserem Verständnis des sehr Großen aus in Einklang zu bringen unsere Studien der Kosmologie. Die Verwendung der Theorie zur Vorhersage des Verhaltens verschränkter Quantenteilchen bietet die erste Möglichkeit, die Stringtheorie experimentell zu testen.
Aber - zumindest für den Moment - können die Wissenschaftler nicht bestätigen, dass die Stringtheorie tatsächlich der Weg ist, alles zu erklären, nur wenn es tatsächlich funktioniert.
"Dies wird kein Beweis dafür sein, dass die Stringtheorie die richtige" Theorie von allem "ist, nach der Kosmologen und Teilchenphysiker suchen", sagte Duff. "Für Theoretiker wird es jedoch sehr wichtig sein, weil es zeigen wird, ob die Stringtheorie funktioniert oder nicht, selbst wenn ihre Anwendung in einem unerwarteten und nicht verwandten Bereich der Physik liegt."
Die Stringtheorie ist eine Gravitationstheorie, eine Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie, und die klassische Interpretation von Strings und Branes lautet, dass es sich um quantenmechanisch schwingende, ausgedehnte geladene Schwarze Löcher handelt. Die Theorie geht davon aus, dass die Elektronen und Quarks innerhalb eines Atoms nicht 0- sind. dimensionale Objekte, aber eindimensionale Zeichenfolgen. Diese Saiten können sich bewegen und vibrieren, wodurch die beobachteten Partikel ihren Geschmack, ihre Ladung, ihre Masse und ihren Spin erhalten. Die Saiten bilden geschlossene Schleifen, es sei denn, sie treffen auf Oberflächen, sogenannte D-Branes, wo sie sich zu eindimensionalen Linien öffnen können. Die Endpunkte des Strings können die D-Brane nicht abbrechen, aber sie können darauf herumrutschen.
Duff sagte, er habe an einer Konferenz in Tasmanien teilgenommen, bei der ein Kollege die mathematischen Formeln vorstellte, die die Quantenverschränkung beschreiben, als er etwas realisierte. „Ich erkannte plötzlich seine Formeln als ähnlich wie einige, die ich einige Jahre zuvor entwickelt hatte, als ich die Stringtheorie zur Beschreibung von Schwarzen Löchern verwendete. Als ich nach Großbritannien zurückkehrte, überprüfte ich meine Notizbücher und bestätigte, dass die Mathematik aus diesen sehr unterschiedlichen Bereichen tatsächlich identisch war. “
Duff und seine Kollegen erkannten, dass die mathematische Beschreibung des Verschränkungsmusters zwischen drei Qubits der mathematischen Beschreibung einer bestimmten Klasse von Schwarzen Löchern in der Stringtheorie ähnelt. Indem sie ihr Wissen über zwei der seltsamsten Phänomene im Universum, Schwarze Löcher und Quantenverschränkung, kombinierten, erkannten sie, dass sie mithilfe der Stringtheorie eine Vorhersage erstellen konnten, die getestet werden konnte. Unter Verwendung der Stringtheorie-Mathematik, die Schwarze Löcher beschreibt, sagten sie das Verschränkungsmuster voraus, das auftreten wird, wenn vier Qubits miteinander verwickelt sind. (Die Antwort auf dieses Problem wurde bisher nicht berechnet.) Obwohl dies technisch schwierig ist, konnte das Muster der Verschränkung zwischen vier verschränkten Qubits im Labor gemessen und die Genauigkeit dieser Vorhersage getestet werden.
Die Entdeckung, dass die Stringtheorie Vorhersagen über die Quantenverschränkung zu treffen scheint, ist völlig unerwartet. Da die Quantenverschränkung jedoch im Labor gemessen werden kann, bedeutet dies, dass Forscher - schließlich - Vorhersagen auf der Grundlage der Stringtheorie testen können.
Duff sagte jedoch, dass es keinen offensichtlichen Zusammenhang gibt, um zu erklären, warum eine Theorie, die entwickelt wird, um die grundlegenden Funktionen unseres Universums zu beschreiben, nützlich ist, um das Verhalten verschränkter Quantensysteme vorherzusagen. "Dies kann uns etwas sehr Tiefes über die Welt erzählen, in der wir leben, oder es kann nicht mehr als ein eigenartiger Zufall sein", sagte Duff. "In jedem Fall ist es nützlich."
Quelle: Imperial College London
