Ein Forscherteam des Exzellenzclusters ct.qmat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg hat eine bahnbrechende Methode entwickelt, um komplexe Theorien der Quantengravitation im Labor zu simulieren. Damit verfolgen die Wissenschaftler das Ziel, bisher unerklärliche Phänomene in der Quantenwelt zu entschlüsseln. Diese Entwicklungen könnten weitreichende Auswirkungen für die physikalische Forschung und technische Anwendungen haben.
Während die Gravitation auf großen Distanzen mittlerweile gut verstanden ist—wir können präzise die Bewegung der Planeten vorhersagen und Raketen ins All steuern—bleibt das Verständnis der Gravitation auf der Ebene kleinster Teilchen eine Herausforderung. „Um den Urknall oder das Innere schwarzer Löcher zu erklären, muss man die Quanteneigenschaften der Gravitation verstehen“, erklärt Professorin Johanna Erdmenger, die das Projekt leitet.
Vorstoß in die Quantengravitation
Die Forschung konzentriert sich auf die AdS/CFT-Korrespondenz, eine Schlüsseltheorie der Quantengravitation. Diese Theorie, die bislang experimentell unbestätigt ist, postuliert, dass komplexe Gravitationstheorien in einem hochdimensionalen Raum durch einfachere Quantentheorien an der Randfläche dieses Raumes beschrieben werden können. Vereinfacht gesagt, ermöglicht die AdS/CFT-Korrespondenz den Wissenschaftlern, schwierige Gravitationsprozesse auf einer höheren Ebene zu verstehen.
„Die AdS/CFT-Korrespondenz ermöglicht es uns, komplizierte Gravitationseffekte in der Quantenwelt durch einfachere Modelle zu erfassen“, erläutert Erdmenger. Man könne sich die Theorie wie einen Trichter vorstellen, bei dem die Quantendynamiken am Rand mit denen im Inneren übereinstimmen. Dies ist ähnlich wie bei einem Hologramm, das ein dreidimensionales Bild erzeugt, obwohl es selbst nur zweidimensional ist.
Mit ihrer neuen Methode haben die Wissenschaftler Vorhersagen dieser Theorie experimentell getestet. Sie verwenden einen verzweigten elektrischen Schaltkreis, der eine gekrümmte Raumzeit simuliert. Die elektrischen Signale an den Verzweigungspunkten des Schaltkreises entsprechen der Gravitation, die in unterschiedlichen Punkten innerhalb der Raumzeit vorhanden wäre. Ihre Berechnungen zeigen, dass die Dynamik am Rand der simulierten Raumzeit der im Inneren entspricht—ein bedeutender Schritt zur Validierung der AdS/CFT-Korrespondenz.
Praktische Anwendungen in Aussicht
Das nächste Ziel des Teams besteht darin, diese Versuchsaufbauten praktisch zu implementieren. Zudem können die gewonnenen Erkenntnisse nicht nur die Grundlagenforschung vorantreiben, sondern auch Grundlagen für technologische Innovationen schaffen. „Unsere Schaltkreise könnten auf Basis von Quantentechnologie dazu dienen, elektrische Signale verlustfrei zu übertragen“, erklärt Erdmenger. Diese Technologie könnte insbesondere für die Signalübertragung innerhalb neuronaler Netze in der Künstlichen Intelligenz bahnbrechend sein.
Besonderes Augenmerk liegt auch auf der internationalen Zusammenarbeit, an der neben der Würzburger Universität auch Institute wie die University of Alberta in Kanada und das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden teilnehmen. Die Finanzierung erfolgt durch den Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster „ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“, einer Initiative zur Förderung von Spitzenforschung in Deutschland.
Insgesamt hat der Exzellenzcluster ct.qmat, der im Jahr 2019 ins Leben gerufen wurde, die Ambition, bedeutende Fortschritte in der Forschung über Quantengravitation und deren Anwendungen zu erzielen. Über 300 Forscher aus mehr als 30 Ländern arbeiten zusammen und konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer topologischer Materialien.
Wissenschaftliche Details und Erkenntnisse zu dieser faszinierenden Thematik wurden in der Studie „Simulating Holographic Conformal Field Theories on Hyperbolic Lattices“ veröffentlicht. Die involvierten Wissenschaftler, einschließlich Erdmenger, sind bestrebt, die Grenzen der Physik immer weiter zu verschieben und neue, innovative Ansätze zur Untersuchung fundamentaler Fragen der Physik zu erkunden.
Für weitere Informationen über diese wegweisende Forschung können Interessierte den Artikel auf www.uni-wuerzburg.de besuchen.
