Hier kommt die Quanteninformatik ins Spiel. Um in der Praxis mit verschränkten Zuständen zu kommunizieren und zu rechnen, brauchen die Wissenschaftler spezielle Fehlerkorrekturverfahren. Denn Verschränkung in der realen Welt ist zerbrechlich. In jedem Quantencomputer gibt es ein Hintergrundrauschen aus Teilchen, die mit den Qubits wechselwirken und diese vorzeitig in gewöhnliche Zustände mit eindeutigen Werten verwandeln, womit sie für Berechnungen verloren gehen. Darum verteilen Quantenalgorithmen eine bestimmte Information auf verschränkte Systeme vieler Qubits. Dann können einzelne Fehler erkannt und ausgeglichen werden.

Faszinierenderweise taucht die Mathematik, die für eine derartige Quantenfehlerkorrektur nötig ist, auch bei der AdS-CFT-Dualität auf. Das Innere eines Schwarzen Lochs lässt sich durch ein Netzwerk von Verschränkungen auf dessen Oberfläche beschreiben, das zugleich ein Korrekturkode ist. Die israelische Physikerin Dorit Aharonov von der Hebräischen Universität Jerusalem, eine Expertin für Quantenalgorithmen und eine der leitenden Wissenschaftlerinnen bei IfQ, wundert sich über den Zusammenhang: "Warum bloß findet man Quantenfehlerkorrekturen bei Schwarzen Löchern? Die Erkenntnis kam vollkommen unerwartet."

Gehversuche in einem Spielzeuguniversum

Es gibt allerdings noch einen Haken, selbst wenn es gelingen sollte, die Mechanismen der AdS-CFT-Dualität zu ergründen und eine niedrigdimensionale Theorie zu formulieren, die zu einer Quantengravitation äquivalent ist: Die Dualität an sich funktioniert nur in einem Modelluniversum. Diesem fehlen einige Eigenschaften unseres Kosmos, insbesondere funktioniert die Schwerkraft anders. "Das All steckt sozusagen in einer Flasche", illustriert Swingle das Problem. "Schickt man einen Lichtstrahl hindurch, prallt er von den Wänden ab. In unserem expandierenden Universum würde das nicht passieren." Für Swingle ist das Modell dennoch ein nützlicher Rahmen für Theoretiker, um erste Ideen auszuprobieren. "Vermutlich brauchen wir solche Zwischenschritte, bevor wir uns an eine realistischere Quantengravitation wagen können."

Doch wenn IfQ auf so unsicheren Fundamenten steht, so wenden einige Kritiker ein, wie kann man dann überhaupt erwarten, am Ende etwas Brauchbares zu erhalten? Die Physiker hoffen, einer ersten einfachen Theorie schrittweise die nötige Komplexität hinzufügen zu können, bis sie die Wirklichkeit beschreibt. Selbst wenn das nicht gelingt, glauben viele Experten – auch solche außerhalb des Projekts –, dass sich bereits der Versuch lohnt. Raphael Bousso von der University of California in Berkeley hat intensiv am holografischen Prinzip und der Verbindung von Quanteninformation und Gravitation gearbeitet. "Ich finde es fantastisch, wie sich nun zahlreiche hochkarätige Wissenschaftler auf Fragen stürzen, die mich schon seit Jahren beschäftigen. Wir sollten gemeinsam sehen, wohin uns das führt", kommentiert er. Die Stringtheoretikerin Eva Silverstein von der Stanford University hingegen hat Bedenken, das Projekt würde die Sichtweise der Beteiligten einschränken: "Fraglos spielt Information eine Rolle. Aber um eine Quantengravitation zu entwickeln, sind mehrere Aspekte wichtig. Wenn man zu viel Energie auf einen einzelnen davon konzentriert, kommt das Forschungsfeld insgesamt nicht so gut voran."

Falls das Projekt nicht der erhoffte große Wurf ist, bringt es wohl zumindest Fortschritte in den Einzelbereichen. Die Experten aus der Stringtheorie und der allgemeinen Relativitätstheorie etwa geben den Entwicklern von Quantencomputern neue Impulse, wie sich die verschiedenen Typen von Verschränkung interpretieren lassen. Umgekehrt hilft die Quanteninformatik dabei, Effekte der Raumzeit besser zu verstehen. "Wenn man mit Werkzeugen aus einem Bereich an einen anderen herangeht, führt das oft zu neuen Erkenntnissen. Es gibt bereits erste Fortschritte bei Problemen, die seit vielen Jahren ungelöst sind", kommentiert Aharonov. Beispielsweise sieht es so aus, als könnte sich die Zeit in Wurmlöchern messen lassen, indem man diese als eine Art Qubit-Schaltkreis begreift.

Methoden aus der Quanteninformatik können auch bei der Entscheidung helfen, ob eine Theorie – sofern sie denn aufgestellt wird – das richtige Maß an Komplexität aufweist, ob sie gewissermaßen zu unserer Welt passt. Wie ein Computer gibt jede Theorie Werte für einen messbaren Zustand in der Zukunft aus, wenn man sie mit Daten eines Anfangszustands füttert. Ähnlich wie einige Computer leistungsfähiger sind als andere, kann man mit den Mitteln der Quanteninformatik nach der Rechenleistung einer Quantengravitation fragen. "Diese kann zu groß sein", erläutert Aharonov. "Dann würde das Modell Dinge voraussagen, von denen wir nicht glauben, dass sie in der realen Welt existieren. Das würde die Theorie selbst in Frage stellen. Damit hätten wir ein unabhängiges Instrument, um ihre Sinnhaftigkeit zu überprüfen."

Das Projekt It from Qubit erinnert viele Physiker an euphorische Phasen in der Vergangenheit, als andere radikale Ideen Fahrt aufgenommen, neue Forschungszweige begründet und Studierende nachhaltig inspiriert haben. Der Stringtheoretiker Hiroshi Ōguri vom California Institute of Technology in Pasadena vergleicht es mit Ereignissen aus seiner Studienzeit: "1984 begann die so genannte erste Superstring-Revolution. Damals wurde die Stringtheorie innerhalb kurzer Zeit zu einem heiß diskutierten Kandidaten für die Vereinigung aller Naturkräfte. Einen ähnlichen Enthusiasmus bemerke ich heute wieder. Es zeichnen sich spannende Zeiten ab – für Veteranen wie uns ebenso wie für die jungen Forscher, die zum ersten Mal mit den neuen Gedanken in Kontakt kommen."