Tiefer als Quantenmechanik — David Deutsch’s Theorie zur Wirklichkeit

Einer der weltweit führenden Theoretiker hat eine neue Theorie von allem. Sein erstes Ergebnis: Eine Verbindung von klassischen- und Quanteninformationen unter demselben theoretischen Schirm – die Konstruktor Theorie!

Einer der unbesungenen Helden der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts ist der Mathematiker und Elektronikingenieur, Claude Shannon (Foto), der an den berühmten Bell-Laboratorien während der 1940er Jahre, den 50er und 60er Jahren arbeitete. Die größte Arbeit von Shannon ist die Theorie der Information, die er 1948 veröffentlichte und einen tiefen Einfluss auf unsere Welt seitdem gehabt hat.

Diese Theorie ist die Basis für die gesamte Digitalkommunikation. Ob Mobiltelefone, Digitalfernsehen und Radio, Computer oder das Internet, alle hängen von Shannon’s Theorie der Information ab. Deshalb ist es möglich zu behaupten, dass Shannon einen größeren Einfluss auf die Technologie des 21. Jahrhunderts gehabt hat, als irgendjemand sonst in der Geschichte. (Tipp – Ein /Aus: Schriften zur Kommunikatins- und Nachrichtentheorie)

Aber, es gibt ein Problem zu seiner Theorie der Information, das Physiker und Mathematiker in den letzten Jahren ratlos gemacht hat. Seine Theorie bezieht sich auf die klassische Art der Informationen, aus 0en und 1en.

Jedoch befinden wir uns im Quantenzeitalter und der Zustand von 0 oder 1 ist nicht mehr länger tragbar. Denn in der Quanteninformation kann ein Zustand 0 und 1 zugleich sein. Dies ist unter anderem die mächtig exotische Eigenschaft vom Quantencomputer und kann die Quantenkryptographie vollkommen sicher machen. Aber die Ideen von Shannon brechen im Quanten-Regime zusammen, so haben verschiedene Forschungsgruppen nach einer alternativen Formulierung gesucht, um den Quanten-Informationen denselben theoretischen Stand zu geben, wie Shannon seinem klassischen Vetter gab.

Dieses Ziel kann nun ein Schritt näher rücken, dank der Arbeit von David Deutsch und Chiara Marletto von der Universität Oxford in Großbritannien. Die Beiden haben sich eine einzelne Theorie einfallen lassen, mit der sie die klassische-  und Quanteninformation verknüpfen können, und als Grundlage für beide fungiert.

Ihre neue Idee wird Konstruktor Theorie genannt, und sie ist einfacher als auch tiefer wie die Quantenmechanik oder in der Tat, wie alle anderen Gesetze der Physik. Tatsächlich behauptet Deutsch, dass die Konstruktor Theorie eine Art Grundlage der Wirklichkeit bildet, aus der alle Gesetze der Physik erscheinen.

Diese Konstruktor-Theorie,  die Deutsch vor einiger Zeit entwickelt hat, fordert eine radikal neue Denkart über das Weltall. Er weist darauf hin, dass die Physiker derzeit ihren Handel darauf betreiben, indem sie die Welt in Bezug auf die Anfangsbedingungen und die Gesetze der Bewegung erklären. Dies führt zu einer Unterscheidung zwischen dem was geschieht und was nicht geschieht.

Die Konstruktor-Theorie stellt diesen Ansatz auf den Kopf. Der neue Grundsatz von Deutsch ist, dass alle Gesetze der Physik, in Bezug auf die physikalischen Veränderungen, vollständig zum Ausdruck gebracht werden können; was geschieht und was nicht.

Mit anderen Worten, nicht die Gesetze der Physik sagen, was möglich und unmöglich ist, sie sind das Ergebnis dessen, was möglich und unmöglich ist. So führt das Denken über die physische Transformationen, was möglich und unmöglich ist, direkt zu den Gesetzen der Physik.

Deshalb ist die Konstruktor-Theorie tiefer als irgendetwas zuvor. In der Tat stellt Deutsch diese Theorie nicht als ein Gesetz der Physik vor, sondern als ein Prinzip oder Reihe von Grundsätzen, denen die Gesetze der Physik gehorchen müssen.

Die Analogie, die er dabei zieht, steht mit den Schutzgesetzen wie der Erhaltung der Energie im Zusammenhang. Dies ist kein Gesetz der Physik wie Quantenmechanik oder Relativitätstheorie, sondern ein Prinzip, welches alle anderen Gesetze befolgen müssen.

Die Konstruktor-Theorie spielt eine ähnliche Rolle.

Deutsch sagte: “Es ist ein Prinzip, das die Einschränkungen für andere Gesetze, nicht auf das Verhalten der körperlichen Gegenstände direkt, ausdrückt. Ein Prinzip, um über sie alle zu herrschen.”

Information ist der Energie in dieser Beziehung ähnlich. Sie kann durch Licht, Chemie, Elektronik, Rauch-Signale usw. verschlüsselt werden, und all diese Dinge folgen verschiedenen Gesetzen der Physik. Jedoch ist die Information selbst irgendwie von all dem getrennt und wird unabhängig von den Gesetzen im Spiel bewahrt.

Diese Gesetze oder Prinzipien, die das Verhalten von Informationen regeln, sind bisher unbekannt gewesen.

Deutsch sagte: “In unserer Theorie vermuten wir, was diese Prinzipien sind.”

Ein wichtiger Punkt, auf den sich Deutsch & Co. konzentrieren, ist, dass Information nur in physischen Verhältnissen besteht – niemals abstrakt. Aber das steht im Gegensatz zu der Art und Weise, wie viele Mathematiker und Physiker in der Vergangenheit gearbeitet haben.

Deutsch sagte: “Frühere Versuche, Informationen auf einer grundlegenden Ebene in die Physik oder zumindest in die Quantentheorie zu übernehmen, stellten Informationen als ein hauptsächlich mathematisches oder logisches Konzept vor. Unser Ansatz ist das Gegenteil.”

Deutsch’s Methode ist definiert als eine Reihe von neun Prinzipien, basierend auf der Konstruktor-Theorie und sie wenden sie auf dem an, wovon sie wissen, was möglich und unmöglich ist, wenn es um Informationen geht. Diese Grundsätze drücken die Vorstellungen der Berechnung, des Maßes und der klassischen Information aus.

Deutsch und Marletto definieren dann ein neues Konzept namens Superinformation, in dem bestimmte informationsbezogene Aufgaben unmöglich sind. Sie fahren fort, um zu zeigen, dass die Besonderheiten der Quanteninformation aus der Unmöglichkeit dieser Aufgaben folgen. Quanteninformation erscheint dann als eine Instanz von Superinformation!

Dieser Ansatz löst eine Reihe von Problemen. Insbesondere ist schon die Information selbst immer schwierig zu definieren gewesen. In konventionellen Informationstheorien werden Informationen und Unterscheidbarkeit jeweils in Bezug auf das  andere gesetzt, was zu einer Art “Huhn oder Ei”-Problematik führt.

Aber in der Konstruktor-Theorie wird die Art der Information durch die Gesetze der Physik allein bestimmt. Somit wird das Problem behoben. Es verbindet auch zum ersten Mal Quanteninformation und klassische Information unter dem gleichen theoretischen Dach. Das ist ein wichtiger Schritt, der erhebliche Auswirkungen auf die neue Technologie der Quantenberechnung, Kryptographie und Kommunikation haben könnte.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die Konstruktor Theorie der Ableitung der Gesetze der Physik nicht im Wege stehen will. Deutsch und Marletto versuchen beispielsweise nicht die Quantenmechanik von einer tieferen Theorie her abzuleiten. Stattdessen wirken die Prinzipien sehr ähnlich wie die Erhaltung der Energie. Die Erhaltung der Energie ist keine mathematische Wahrheit aber Deutsch und Marletto sagen, sie ist tiefer als die Gesetze der Physik.

Die Grundsätze der Konstruktor-Theorie arbeiten auf die gleiche Weise. Die bekannten Gesetze der Physik folgen diesen Grundsätzen, und auch die noch nicht entdeckten müssen sich ihr anschließen.

Die große noch offene Frage über die Konstruktor Theorie ist, wie nützlich kann sie sich erweisen? Deutsch ist fasziniert von den grundlegenden Eigenschaften der Wirklichkeit und für ihn ist eine tiefere Erklärung Grund genug weiter zu forschen.

Eine neue Physik fordert immer ein neues Denken! Und Physiker werden sicherlich versucht sein, nicht zuletzt diese Idee weiter zu erforschen, da Deutsch (Foto) weithin als einer der führenden Denker über die Grundlagen der Physik anerkannt wird.

Er leistete Pionierarbeit hinter den Ideen des Quantum-computing in den 1980er Jahren. In dieser Zeit war der Begriff Quantenmechanik für Berechnungen eines toten Wassers der Physik zu verwenden. Heute ist es eine der treibenden Kräfte nicht nur in der neuen Physik, sondern ebenso im Bewusstsein. Später wurde er einer der wichtigsten Vertreter der viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik und des Multiversums.

Mit anderen Worten, Deutsch hat eine beeindruckende Erfolgsgeschichte.

Nur ein Narr würde gegen die Möglichkeit wetten, dass die Konstruktor-Theorie ebenso eine Mainstream-Idee in der Physik werden könnte, die tiefgreifende Konsequenzen für unser zukünftiges Verständnis des Universums haben wird.  Shannon, der 2001 gestorben ist, wäre sicherlich begeistert .. (Ref: arxiv.org/abs/1405.5563  – The Physics arXiv)

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