Einstein trifft Quantenphysik – und das Internet ist mittendrin

Einstein und Quanten – das sind zwei Pfeiler der modernen Physik. Doch wie sie miteinander zusammenhängen, ist bis heute unklar. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit. Die Quantenphysik hingegen zeigt, dass Teilchen in mehreren Zuständen zugleich existieren können. Was passiert, wenn beide Welten aufeinandertreffen? Genau das versuchen Forschende nun mit einem außergewöhnlichen Experiment herauszufinden.

Dabei setzen sie nicht auf gigantische Teilchenbeschleuniger oder schwer zugängliche Astrophänomene. Stattdessen nutzen sie Technologien, die schon bald Teil des alltäglichen Internets sein könnten: Quantenvernetzung, verschränkte Atomuhren und Quantenprozessoren. Was technisch klingt, hat enormes Potenzial – auch für die Grundlagenforschung. Denn erstmals lässt sich nun testen, wie sich Raumzeitkrümmung auf Quantenzustände auswirkt. Und das mitten auf der Erde.

Drei Uhren sehen mehr als zwei

Was nach Science-Fiction klingt, basiert auf konkreten physikalischen Überlegungen. Bisherige Versuche, die Effekte der Raumzeitkrümmung auf Quantenzustände zu untersuchen, hatten ein Problem: Sie benötigten riesige Aufbauten, große Distanzen und extrem lange Kohärenzzeiten – also die Zeit, in der ein Quantenzustand stabil bleibt.

Das neue Verfahren geht einen anderen Weg. Statt einzelne Atome makroskopisch zu überlagern, setzen die Forschenden auf sogenannte entangled clocks – also verschränkte Quantenuhren, die gemeinsam ein einziges, miteinander verbundenes System bilden. Doch zwei Uhren reichen nicht. Erst durch den Vergleich dreier Uhren an unterschiedlichen Höhenpunkten lässt sich zeigen, ob die Zeitdilatation wirklich nichtlinear verläuft. Und genau das wäre ein Hinweis auf die gekrümmte Struktur der Raumzeit.

Die drei Uhren bestehen aus Ytterbium-Atomen, eingeschlossen in optische Kavitäten. Sie dienen gleichzeitig als Taktgeber und als Quantenknoten. Der Clou: Sie tauschen nicht einfach nur Informationen aus, sondern sind quantenmechanisch verschränkt. Das bedeutet, ihr Zustand ist nicht unabhängig voneinander, sondern miteinander verbunden – selbst über große Distanzen hinweg.

Zeitmessung auf drei Ebenen

Der Versuchsaufbau besteht aus drei Quantenuhren, die auf unterschiedlichen Höhen positioniert werden – beispielsweise auf Meereshöhe, in 1 km und in 2 km Höhe. Jede Uhr ist ein Quantenprozessor, der aus Ytterbium-171-Atomen besteht. Diese Atome lassen sich in einem Quantenregister präzise kontrollieren, kühlen und verschränken. So wird aus klassischer Zeitmessung ein quantenmechanisches Experiment.

Im ersten Schritt entsteht in einer der drei Stationen – etwa auf Meereshöhe – ein sogenannter W-Zustand. Dabei handelt es sich um eine spezielle Art der Quantenverschränkung, bei der drei Atome gemeinsam einen Zustand bilden: Ein Atom ist angeregt, zwei befinden sich im Grundzustand. Dieses Quantensystem wird anschließend auf die anderen beiden Höhenlagen verteilt – nicht physisch, sondern durch Quanten-Teleportation. Diese Technik überträgt den Zustand eines Teilchens auf ein anderes, ohne dass Materie selbst bewegt wird.

So läuft die Messung ab

Anschließend beginnt die eigentliche Messung: Die Uhren laufen über eine bestimmte Zeitspanne. Aufgrund der unterschiedlichen Höhen sammeln sie dabei leicht verschiedene Eigenzeiten – also die Zeit, die in ihrem jeweiligen Gravitationspotenzial vergeht. Der Unterschied ist winzig, aber messbar. Entscheidend ist: Die Uhren sind verschränkt, ihr Zustand bleibt trotz Distanz miteinander verbunden. Dadurch lassen sich selbst minimale Phasenverschiebungen in den Zuständen detektieren.

Nach Ablauf der Zeitspanne werden die Zustände erneut zusammengeführt und gemeinsam gemessen. Aus dem resultierenden Interferenzmuster lässt sich ablesen, wie stark die Raumzeit an den verschiedenen Positionen gekrümmt ist. Entscheidend ist dabei nicht nur der Unterschied in der Zeit selbst, sondern wie sich dieser Unterschied im quantenmechanischen System bemerkbar macht.