Die Betrachtung eines Ereignisses aus der Perspektive verschiedener Beobachter hat in der klassischen Physik schon mehrmals zu theoretischen Durchbrüchen geführt. In der Quantenwelt ist der Wechsel zwischen solchen Bezugssystemen aber deutlich komplizierter. Physiker des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Université Libre de Bruxelles haben ein neues, allgemein anwendbares mathematisches Gerüst entwickelt, mit dem sich auch Quantensysteme aus Sicht der beteiligten Teilchen analysieren lassen. Das Ergebnis wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift "Communications Physics" veröffentlicht und könnte neue Fortschritte bei der Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie ermöglichen.

Neue Methode

Albert Einsteins Gedankenexperimente haben gezeigt, dass ein Lichtstrahl, der in einem schnell fliegenden Raumschiffs zwischen Spiegeln hin und herreflektiert wird, für BeobachterInnen an Bord eine andere Bahn beschreibt, als für BeobachterInnen, die das Experiment von der Erde aus mit einem Teleskop beobachten. Die verschiedenen Perspektiven lassen sich anhand fixer mathematischer Regeln aber immer eindeutig ineinander überführen. Für die Quantenwelt, in der das Raumschiff in Prinzip auch in einer Superposition, einer Überlagerung mehrerer verschiedener Zustände, existieren kann, waren solche Wechsel zwischen verschiedenen Bezugssystemen bislang nur mit starken Einschränkungen möglich. Die theoretischen Quantenphysiker Esteban Castro-Ruiz von der ÖAW und Ognyan Oreshkov von der Université Libre de Bruxelles haben eine neue Methode entwickelt, die diese Limitationen beseitigt.

“Quantenbezugssysteme werden schon seit den 1960er-Jahren erforscht. Allerdings war es bislang nicht möglich, zwischen Bezugssystemen zu wechseln, ohne praktisch den Zustand des gesamten Universums berücksichtigen zu müssen. Die Beschreibung eines Teilchens aus Sicht eines Quantenbezugsystems hängt allgemein davon ab, ob es 'da draußen' noch zwei, drei oder mehrere Millionen andere Partikel gibt. Unsere Methode hingegen spaltet das System, das wir analysieren möchten, in Subsysteme auf und erlaubt uns, die Perspektive der beteiligten Quantenteilchen ohne zusätzliche Informationen exakt zu beschreiben”, sagt Esteban Castro-Ruiz. Für ein einfaches System aus drei Elektronen bedeutet das zum Beispiel, dass sich Elektron eins aus der kombinierten Perspektive von Teilchen zwei und drei vollständig beschreiben lässt.

Neue Hinweise für Quantengravitation?

“Weil es sich um Quantenteilchen handelt, können wir komplementäre Eigenschaften wie Impuls und Aufenthaltsort nicht unabhängig voneinander beschreiben. Unsere Quantenbezugssystem ist deshalb ein zusammengesetztes System aus zwei Teilchen, von denen eines als Referenz für den Impuls dient und eines als Referenz für den Aufenthaltsort. Ein weiteres, spezifisches Subsystem, das Informationen über die Beziehungen zwischen allen beteiligten Elementen  enthält, ist der Schlüssel zu unserer Methode. Wenn ein Bezugssystem sich in einem klassischen Zustand befindet, enthält dieses Subsystem keine Information, aber in der Quantenwelt ist es absolut notwendig, um die Perspektive des Bezugssystems vollständig zu beschreiben. Damit funktioniert dieses Subsystem auch wie ein Test, der uns sagt, ob ein Bezugssystem klassisch ist oder den Quantenregeln folgt”, sagt Ognyan Oreshkov.

Die Physiker:innen können mühelos zwischen den Perspektiven verschiedener Quantenbezugssysteme hin und herwechseln, selbst wenn die Eigenschaften der beteiligten Teilchen sich in Überlagerungszuständen befinden und nicht eindeutig definiert sind. Als Ergebnis bekommen sie die komplette Wellenfunktion des betrachteten Systems aus der Perspektive des gewählten Bezugssystems und damit eine vollständige Beschreibung. Die neue Methode ist äußerst allgemein und sollte sich auf beliebige Quantensysteme anwenden lassen, was sowohl ExperimentalphysikerInnen als auch TheoretikerInnen neue Möglichkeiten eröffnen wird. “Die Vereinheitlichung von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie ist eine der großen offenen Herausforderungen der Physik. Unser neuer Ansatz könnte neue Hinweise darauf liefern, wie sich Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie vereinen lassen”, sagt Esteban Castro-Ruiz.