Der Kosmologe Stephen Hawking sagte einmal, dass Physiker die einzigen Wissenschaftler seien, die das Wort «Gott» aussprechen können, ohne rot zu werden.
Wenn Sie jedoch Physiker wirklich zum Erröten bringen wollen, können Sie ihnen tiefe philosophische Fragen stellen, auf die es keine letztgültigen Antworten gibt.
Hier ist eine kurze Liste von Fragen, die die meisten Physikerinnen und Physiker verblüffen werden, weil sie an der Grenze zwischen Philosophie und Physik liegen. Alle diese Fragen betreffen die Existenz von Quantencomputern, und wir werden jede von ihnen der Reihe nach betrachten.
Hatte Gott bei der Erschaffung des Universums eine Wahl?
Einstein hielt dies für eine der tiefgründigsten und aufschlussreichsten Fragen, die man stellen kann. Hätte Gott eine andere Art Universum erschaffen können?
Ist das Universum eine Simulation?
Sind wir nur Automaten, die in einem Videospiel leben? Ist alles, was wir sehen und tun, das Produkt einer Computersimulation?
Rechnen Quantencomputer in Paralleluniversen?
Können wir das Messproblem der Quantenmechanik für Quantencomputer durch die Einführung eines Multiversums von Universen lösen?
Ist das Universum ein Quantencomputer?
Kann alles, was wir um uns herum sehen, von subatomaren Teilchen bis zu galaktischen Haufen, ein Beweis dafür sein, dass das Universum selbst ein Quantencomputer ist?
Einstein verbrachte einen Großteil seines Lebens mit der Frage, ob die Gesetze des Universums einzigartig sind oder ob sie nur eine von mehreren Möglichkeiten darstellen. Wenn man zum ersten Mal etwas über Quantencomputer erfährt, erscheint ihr Innenleben verrückt und bizarr. Es scheint unglaublich, dass Elektronen auf einer fundamentalen Ebene ein so unbestimmbares Verhalten an den Tag legen können, z.B. an zwei Orten gleichzeitig zu sein, durch feste Barrieren zu tunneln, Informationen schneller als das Licht zu teilen und sofort eine unendliche Anzahl von Wegen zwischen zwei beliebigen Punkten zu analysieren. Man fragt sich, ob das Universum so seltsam sein muss? Wenn wir die Wahl hätten, könnten wir dann nicht die physikalischen Gesetze logischer und vernünftiger gestalten?
Wenn Einstein an einem Problem festhielt, sagte er oft: «Gott ist subtil, aber nicht bösartig.» Aber wenn er sich mit den Paradoxien der Quantenmechanik auseinandersetzen musste, dachte Einstein manchmal: «Vielleicht ist Gott doch bösartig.»
Im Laufe der Geschichte haben Physiker immer wieder über imaginäre Universen nachgedacht, die anderen Grundgesetzen gehorchen, um herauszufinden, ob die Naturgesetze einzigartig sind und ob es möglich ist, ein besseres Universum von Grund auf zu schaffen.
Selbst Philosophen haben sich mit dieser kosmischen Frage auseinandergesetzt. Alfons der Weise sagte einmal: «Wäre ich bei der Schöpfung zugegen gewesen, so hätte ich zur besseren Ordnung des Universums guten Rat erteilen können.»
Der schottische Richter und Kritiker Lord Francis Jeffrey beklagte sich über all die Unzulänglichkeiten in unserem Universum. Er pflegte zu sagen: «Zum Teufel mit dem Sonnensystem: Schlechtes Licht, zu weit entfernte Planeten, mit Kometen verseucht; eine schwache Konstruktion; hätte selbst ein besseres bauen können.»
Doch sosehr sich die Wissenschaft auch bemüht, es ist ihr nicht gelungen, die Gesetze der Quantenphysik zu verbessern. In der Regel stellen die Physikerinnen und Physiker fest, dass Alternativen zur Quantenmechanik zu Universen führen, die instabil sind oder unter versteckten fatalen Fehlern leiden.
Um die philosophische Frage zu beantworten, die Einstein faszinierte, beginnen Physiker oft mit einer Auflistung der Eigenschaften, die ein Universum haben sollte.
Zuallererst muss man fordern, dass das Universum stabil ist. Wir wollen nicht, dass es in unseren Händen zerbricht und wir mit nichts zurückbleiben.
Überraschenderweise ist dieses Kriterium äußerst schwer zu erfüllen. Am einfachsten ist es, wenn wir davon ausgehen, dass wir in einer Welt des gesunden Menschenverstandes und des Newtonschen Systems leben. Das ist die Welt, mit der wir vertraut sind. Nehmen wir an, dass diese Welt aus winzigen Atomen besteht, die Miniatur-Sonnensystemen gleichen, mit Elektronen, die um einen Kern kreisen und den Newtonschen Gesetzen gehorchen. Dieses Sonnensystem wäre stabil, wenn sich die Elektronen in perfekten Kreisen bewegen würden.
Wenn man jedoch eine dieser Elektronen nur leicht stört, kann es zu unerwünschten Bahnabweichungen kommen. Das bedeutet, dass solche Elektronen irgendwann kollidieren oder in den Kern fallen werden. Sehr schnell bricht die Atomstruktur zusammen und die Elektronen fliegen überallhin. Mit anderen Worten: Das Newtonsche Modell des Atoms ist von Natur aus instabil.
Stellen Sie sich vor, was mit Molekülen passieren würde. In einer Welt, in der nur die klassische Mechanik gilt, ist eine Bahn, die um zwei Kerne herumführt, höchst instabil und zerfällt schnell, sobald man sie stört. Moleküle können also in einer Newtonschen Welt nicht existieren, es gäbe damit keine komplexen chemischen Verbindungen. Dieses Universum ohne stabile Atome und Moleküle wird schließlich zu einem formlosen Nebel aus zufälligen subatomaren Teilchen.
Die Quantentheorie löst dieses Problem jedoch, denn das Elektron wird durch eine Welle beschrieben, und nur diskrete Resonanzen dieser Welle können um den Kern schwingen. Wellen, bei denen die Elektronen zusammenstoßen und auseinanderfliegen, sind nach der Schrödingergleichung nicht zulässig, und deshalb ist das Atom stabil. In einer Quantenwelt sind auch Moleküle stabil, weil sie entstehen, wenn Elektronenwellen zwischen zwei verschiedenen Atomen geteilt werden und sich eine stabile Resonanz bildet, die zwei Atome aneinanderbindet. Dies ist der Klebstoff, der das Molekül zusammenhalten kann.
In gewissem Sinne gibt es also einen «Zweck» oder «Grund» für die Quantenmechanik und ihre seltsamen Eigenschaften. Warum ist die Quantenwelt so bizarr? Offenbar, um die Materie fest und haltbar zu machen. Andernfalls würde unser Universum zerfallen.
Dies wiederum hat eine wichtige Konsequenz für Quantencomputer. Wenn man versucht, die Schrödingergleichung, die die Grundlage des Quantencomputers ist, zu modifizieren, erwarten wir, dass der modifizierte Quantencomputer unsinnige Ergebnisse, wie instabile Materie, hervorbringen wird. Mit anderen Worten: Die einzige Möglichkeit für Quantencomputer, stabile Universen zu erzeugen, besteht darin, mit der Schrödingergleichung zu beginnen. Ein Quantencomputer ist einzigartig. Es mag viele Möglichkeiten geben, wie Materie zusammengesetzt werden kann, um einen Quantencomputer zu schaffen (z.B. mit verschiedenen Arten von Atomen), aber es gibt nur eine einzige Möglichkeit, wie der Quantencomputer seine Berechnungen durchführen und dennoch stabile Materie beschreiben kann.
Wenn wir also einen Quantencomputer wollen, der Elektronen, Licht und Atome manipuliert, dann bleibt uns wahrscheinlich nur eine einzige Architektur für einen solchen Quantencomputer.
Jeder, der den Film Matrix gesehen hat, weiß, dass Neo der Auserwählte ist. Er hat Superkräfte. Er kann sich in den Himmel erheben. Er kann rasenden Kugeln ausweichen oder sie mitten im Kampf zum Stehen bringen. Er kann mit einem Knopfdruck Kung-Fu lernen. Und er kann durch Spiegel gehen.
All das ist möglich, weil Neo tatsächlich in einer fiktiven, computergenerierten Simulation lebt. Wie in einem Videospiel ist die «Realität» in Wahrheit eine imaginäre Welt.
Aber das wirft die Frage auf: Ist es angesichts der exponentiell wachsenden Computerleistung vorstellbar, dass unsere Welt in Wirklichkeit eine Simulation ist und dass die «Realität», die wir kennen, in Wahrheit ein Videospiel ist, das von jemand anderem gespielt wird? Sind wir nur Codezeilen, bis schließlich jemand die «Löschtaste» drückt und die Scharade beendet? Und wenn ein klassischer Computer nicht leistungsfähig genug ist, um die Realität zu simulieren, kann dies dann ein Quantencomputer tun?
Stellen wir uns zunächst eine einfachere Frage: Kann ein klassisches Universum wie das oben beschriebene eine Newtonsche Simulation sein?
Betrachten Sie einen Moment lang eine leere Glasflasche. Die Luft in dieser Flasche kann mehr als 1023 Atome enthalten. Um dieses Gefäß mit einem klassischen Computer exakt zu modellieren, müssten Sie 1023 Bits an Informationen verarbeiten, was weit über das hinausgeht, was ein klassischer Computer leisten kann. Um eine perfekte Simulation der Atome in dieser Flasche zu erstellen, müsste man auch die Position und die Geschwindigkeit all dieser Atome kennen. Stellen Sie sich nun vor, Sie wollten das Wetter auf der Erde simulieren. Sie müssen die Luftfeuchtigkeit, den Luftdruck, die Temperatur und die Windgeschwindigkeit der Luft in der Atmosphäre kennen. Sehr schnell ist die Speicherkapazität eines jeden bekannten klassischen Computers erschöpft.
Mit anderen Worten: Das kleinste Objekt, das das Wetter simulieren kann, ist das Wetter selbst.
Eine andere Möglichkeit, dieses Problem zu betrachten, ist der sogenannte «Schmetterlingseffekt». Wenn ein Schmetterling mit den Flügeln schlägt, kann er eine Luftwelle erzeugen, die sich unter günstigen Bedingungen zu einem starken Wind entwickeln kann. Dieser wiederum könnte schließlich auf den Kipppunkt einer Wolke treffen und einen Regensturm auslösen. Dies ist ein Ergebnis der Chaostheorie, die besagt, dass Luftmoleküle zwar den Newtonschen Gesetzen gehorchen, die kombinierte Wirkung von Billionen von Luftmolekülen jedoch chaotisch und unvorhersehbar ist. Daher ist es nahezu unmöglich, die genaue Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Regensturms vorherzusagen. Zwar lässt sich der Weg eines einzelnen Moleküls bestimmen, doch die kollektive Bewegung von Billionen von Luftmolekülen ist für jeden Digitalcomputer unerreichbar. Eine Simulation ist ebenfalls unmöglich.
Aber wie sähe das mit Quantencomputern aus?
Die Situation wird noch viel schlimmer, wenn wir versuchen, das Wetter mit einem Quantencomputer zu modellieren. Wenn wir einen Quantencomputer mit 300 Qubits haben, dann haben wir 2300 Zustände im Quantencomputer, also mehr als das Universum Zustände hat. Sicherlich hat ein Quantencomputer damit genug Speicher, um die gesamte «Realität», wie wir sie kennen, zu kodieren?
Nicht unbedingt. Denken Sie an ein komplexes Eiweißmolekül, das aus Tausenden von Atomen bestehen kann. Damit ein Quantencomputer nur ein einziges Eiweißmolekül ohne jegliche Näherung simulieren kann, müssten wir viel mehr Zustände haben, als es im Universum gibt. Unser Körper kann aber Milliarden dieser Eiweißmoleküle enthalten. Um also wirklich alle Eiweißmoleküle in unserem Körper zu simulieren, bräuchten wir im Prinzip Milliarden von Quantencomputern. Und wiederum: Das kleinste Objekt, das das Universum simulieren kann, ist das Universum selbst. Es ist einfach unpraktisch, Milliarden und Abermilliarden von Quantencomputern zusammenzustellen, um ein komplexes Quantenphänomen zu simulieren.
Die einzige «Realität», die tatsächlich simuliert werden könnte, ist eine, die nicht perfekt ist, sondern viele Lücken und Unvollkommenheiten aufweist. Nur so könnte man die Zahl der zu simulierenden Zustände verringern. Wenn die Simulation nicht perfekt ist, dann könnte sie tatsächlich existieren. So kann die Simulation beispielsweise Bereiche aufweisen, die unvollständig sind. Der «Himmel», den Sie über sich sehen, kann Risse und Brüche aufweisen, wie eine alte Filmkulisse. Oder wenn Sie ein Tiefseetaucher sind, denken Sie vielleicht, dass Ihre Welt der gesamte Ozean ist, bis Sie gegen eine Glaswand stoßen und Ihnen dann klar wird, dass Ihre Welt nur eine kleine Simulation des Ozeans ist. Ein Universum mit Unvollkommenheiten wie diesen ist also durchaus möglich.
Früher konnten Hollywood und die Comics aufregende, imaginäre Universen erschaffen, indem sie ihre Figuren ins Weltall entsandten. Aber nachdem wir seit über 50 Jahren Raketen in den Weltraum schicken, ist das ein wenig passé. Science-Fiction-Autoren brauchen also eine neue, innovative Spielwiese für ihre fantastischen Handlungen, und das ist nun das Multiversum. Viele aktuelle Blockbuster spielen in Paralleluniversen, in denen der Superheld oder Bösewicht in mehreren Realitäten existiert.
Wenn ich früher einen Science-Fiction-Film sah, habe ich mitgezählt, wie viele physikalischen Gesetze verletzt wurden. Ich habe damit aufgehört, als ich mich an Arthur C. Clarkes Worte erinnerte: «Jede hinreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden.» Wenn also ein Film offensichtlich gegen ein bekanntes physikalisches Gesetz verstieß, würde sich dieses physikalische Gesetz vielleicht eines Tages als falsch oder unvollständig erweisen.
Aber jetzt, wo die Filme in das Multiversum der Paralleluniversen eintauchen, muss ich noch einmal darüber nachdenken, ob irgendwelche physikalischen Gesetze verletzt werden. Denn in diesem Fall folgen die Filme tatsächlich dem Beispiel der theoretischen Physik, die die Idee des Multiversums ernst nimmt.
Der Grund dafür ist, dass die Everettsche Viele-Welten-Theorie ein Comeback erlebt. Wie wir bereits erwähnt haben, ist Everetts Viele-Welten-Theorie vielleicht die einfachste und eleganteste Art, das Messproblem der Quantenmechanik zu umschiffen. Dadurch, dass man das letzte Postulat der Quantenmechanik fallen lässt, dem zufolge die Wellenfunktion, die das Quantenverhalten beschreibt, bei der Beobachtung kollabiert, wird die Viele-Welten-Theorie zum schnellsten Weg, das mit ihr selbst verbundene Paradoxon zu lösen.
Doch die ungehemmte Ausbreitung der Elektronenwelle hat ihren Preis. Wird der Schrödinger-Welle erlaubt, sich ohne zu kollabieren frei zu bewegen kann, dann wird sie sich auch unendlich oft teilen und eine unendliche Kaskade möglicher Universen schaffen. Anstatt sie also auf ein einziges Universum zusammenfallen zu lassen, lassen wir sie sich unentwegt in eine unendliche Anzahl von Paralleluniversen aufteilen.
Unter Physikerinnen und Physikern gibt es keinen allgemeinen Konsens über dieses Konzept der Paralleluniversen. David Deutsch beispielsweise glaubt, dass dies der wesentliche Grund für die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern ist: weil sie gleichzeitig in verschiedenen Paralleluniversen rechneten. Dies führt uns zurück zu Schrödingers Paradoxon, bei dem eine Katze in einer Schachtel gleichzeitig tot und lebendig sein kann.
Stephen Hawking sagte auf die Frage nach diesem frustrierenden Problem: «Immer wenn ich ‹Schrödingers Katze› höre, greife ich zur Waffe.»
Es gibt aber auch eine alternative Theorie, die sogenannte «Dekohärenztheorie». Sie besagt, dass die Welle durch die Wechselwirkung mit der äußeren Umgebung kollabiert, d.h., die Welle kollabiert von selbst, sobald sie mit der Umgebung in Berührung kommt, weil die Umgebung bereits dekohärent geworden ist.
Dies bedeutet zum Beispiel, dass das Schrödinger-Paradoxon einfach gelöst werden kann. Das ursprüngliche Problem bestand darin, dass man vor dem Öffnen der Schachtel nicht sagen konnte, ob die Katze tot oder lebendig ist. Die traditionelle Antwort lautet, dass die Katze weder tot noch lebendig ist, bis man die Schachtel öffnet. Die neue Theorie besagt, dass die Atome der Katze bereits in Kontakt mit nicht kohärenten Atomen in der Schachtel sind, sodass die Wellenfunktion der Katze bereits kollabiert ist, bevor man die Schachtel öffnet. Die Katze ist also bereits tot oder sie ist lebendig, aber nicht beides.
Mit anderen Worten: Nach der traditionellen Kopenhagener Deutung dekohäriert die Katze erst, wenn man die Schachtel öffnet und eine Messung vornimmt. Beim Dekohärenzansatz hingegen ist die Katze bereits vorher dekohärent geworden, weil die zufällig umherfliegenden Luftmoleküle mit der Welle der Katze wechselwirken und sie zusammenbrechen lassen. Beim Dekohärenzansatz tritt also an die Stelle des Experimentators als Ursache für den Kollaps der Wellenfunktion die Luft in der Schachtel.
Normalerweise werden Debatten in der Physik einfach durch ein Experiment gelöst. Die Physik beruht letztlich nicht auf Spekulationen und Vermutungen. Der entscheidende Faktor sind harte Beweise. Aber ich kann mir vorstellen, dass die Physiker auch in Jahrzehnten noch über diese Frage diskutieren werden, weil es kein entscheidendes Experiment gibt, das eine dieser Interpretationen ausschließen kann, zumindest noch nicht.
Ich persönlich bin jedoch der Meinung, dass der Dekohärenzansatz einen Fehler aufweist. Bei diesem Ansatz muss zwischen der Umgebung, d.h. der Luft (die dekohärent ist), und dem untersuchten Objekt (der Katze) unterschieden werden. Beim Kopenhagener Ansatz wird die Dekohärenz durch den Experimentator eingeführt. Beim Dekohärenzansatz wird sie durch Wechselwirkungen mit der Umgebung hervorgerufen.
Sobald wir jedoch eine Quantentheorie der Schwerkraft einführen, ist die kleinste Einheit, die wir quantisieren, das Universum selbst. Es gibt keine Unterscheidung zwischen dem Experimentator, der Umgebung und der Katze. Sie alle sind Teil einer gigantischen Wellenfunktion, der Wellenfunktion des Universums, die nicht in verschiedene Teile zerlegt werden kann.
Bei diesem Ansatz der Quantengravitation gibt es also keinen wirklichen Unterschied zwischen Wellen, die kohärent sind, und solchen (in der Luft), die es nicht sind. Der Unterschied ist nur eine Frage des Grades. (Beim Urknall zum Beispiel war das gesamte Universum vor der Explosion kohärent. Selbst heute, 13,8 Milliarden Jahre später, können wir also immer noch einen gewissen Grad an Kohärenz zwischen der Katze und der Luft feststellen.)
Dieser Ansatz verbannt also die Dekohärenz und kehrt zur Everett-Interpretation zurück. Leider gibt es auch dafür kein Experiment, mit dem man den Unterschied zwischen den verschiedenen Ansätzen feststellen könnte. Alle Ansätze liefern das gleiche quantenmechanische Ergebnis. Sie unterscheiden sich in der Interpretation des Ergebnisses, die philosophischer Natur ist.
Dies bedeutet, dass wir unabhängig davon, ob wir die Kopenhagener Deutung, den Dekohärenzansatz oder die Viele-Welten-Theorie verwenden, die gleichen experimentellen Ergebnisse erhalten, sodass alle drei Ansätze experimentell gleichwertig sind.
Ein möglicher Unterschied zwischen diesen drei Ansätzen besteht darin, dass es bei der Viele-Welten-Interpretation möglich sein könnte, zwischen verschiedenen Paralleluniversen zu wechseln. Aber wenn man eine Berechnung der Wahrscheinlichkeit dafür anstellt, erweist diese sich als so klein, dass wir es experimentell nicht überprüfen können. In der Regel müssen wir länger als die Lebensdauer des Universums warten, um in ein Paralleluniversum zu gelangen.
Nun wollen wir untersuchen, ob das Universum selbst ein Quantencomputer ist.
Wir erinnern uns, dass Babbage sich eine klar definierte Frage stellte: Wie leistungsfähig kann man einen analogen Computer machen? Wo liegen die Grenzen dessen, was man mit mechanischen Zahnrädern und Hebeln berechnen kann?
Turing erweiterte diese Frage: Wie leistungsfähig kann man einen digitalen Computer machen? Wo liegen die Grenzen für Berechnungen mit elektronischen Bauteilen?
Daher ist es naheliegend zu fragen: Wie leistungsfähig kann man einen Quantencomputer bauen? Wo liegen die Grenzen der Rechenleistung, wenn wir einzelne Atome manipulieren können? Und da das Universum aus Atomen besteht: Ist das Universum selbst ein Quantencomputer?
Der Physiker, der diese Idee vorgeschlagen hat, ist Professor Seth Lloyd vom MIT. Er ist einer der wenigen Physiker, die von Anfang an dabei waren, als die ersten Quantencomputer entwickelt wurden.
Ich fragte Professor Lloyd, wie er zu seiner Faszination für Quantencomputer kam. Er erzählte mir, dass er als Jugendlicher von Zahlen fasziniert war. Ihn interessierte vor allem die Tatsache, dass man mit nur wenigen Zahlen eine große Anzahl von Objekten in der realen Welt mit den Regeln der Mathematik beschreiben kann.
Doch als er sich nach einem Doktorandenthema umsah, sah er sich mit einem Problem konfrontiert. Auf der einen Seite gab es kluge Physikstudierende, die sich mit Stringtheorie und Elementarteilchenphysik beschäftigten. Auf der anderen Seite gab es Studierende, die sich mit Informatik beschäftigten. Er saß zwischen den Stühlen, denn er wollte sich mit Quanteninformation beschäftigen, die genau zwischen Teilchenphysik und Informatik angesiedelt war.
In der Elementarteilchenphysik ist die letzte Einheit der Materie das Teilchen, z.B. das Elektron. In der Informationstheorie hingegen ist die letzte Einheit der Information das Bit. Daher beschäftigte er sich mit der Beziehung zwischen Teilchen und Bits, was uns zu Quantenbits führt.
Seine umstrittene Idee ist, dass das Universum ein Quantencomputer ist. Das mag zunächst abwegig klingen. Wenn wir an das Universum denken, denken wir an Sterne, Galaxien, Planeten, Tiere, Menschen und DNA. Wenn wir aber an einen Quantencomputer denken, denken wir an eine Maschine. Wie könnte dies dasselbe sein?
In der Tat gibt es eine tiefgreifende Beziehung zwischen beiden. Es ist möglich, eine Turing-Maschine zu schaffen, die alle Newtonschen Gesetze des Universums enthält.
Stellen Sie sich zum Beispiel einen Spielzeugeisenbahnzug vor, der auf einer Miniatureisenbahnstrecke steht. Das Gleis ist in eine lange Reihe von Quadraten unterteilt, in denen wir jeweils eine 0 oder eine 1 platzieren können. 0 bedeutet, dass sich kein Zug auf diesem Teil der Strecke befindet, und 1 bedeutet, dass der Spielzeugzug daraufsteht. Nun bewegen wir den Zug, Feld für Feld. Jedes Mal, wenn wir den Zug um ein Feld verschieben, ersetzen wir eine 0 durch eine 1. Auf diese Weise kann sich der Zug gleichmäßig auf dem Gleis bewegen. Die Zahl 1 gibt die Position des Spielzeugzuges an.
Ersetzen wir nun die Eisenbahnstrecke durch ein digitales Band mit Nullen und Einsen und den Zug durch einen Prozessor. Immer wenn sich der Prozessor um ein Feld bewegt, ersetzen wir die 0 durch eine 1.
Auf diese Weise können wir eine Spielzeugeisenbahn in eine Turing-Maschine verwandeln. Mit anderen Worten: Eine Turing-Maschine kann die Newtonschen Bewegungsgesetze simulieren, die die Grundlage der klassischen Physik sind.
Wir können den Spielzeugzug auch modifizieren, um Beschleunigungen und komplexere Bewegungen zu beschreiben. Jedes Mal, wenn wir den Zug bewegen, können wir den Abstand zwischen den Einsen vergrößern, sodass der Zug schneller wird. Wir können den Spielzeugzug auch verallgemeinern, indem wir ihn auf einer 3-D-Schiene oder einem Gitter fahren lassen. Auf diese Weise können wir alle Gesetze der Newtonschen Mechanik kodieren.
Jetzt können wir also die Verbindung zwischen einer Turing-Maschine und den Newtonschen Gesetzen präzisieren. Ein klassisches Universum kann durch eine Turing-Maschine kodiert werden.
Als Nächstes können wir dies auf Quantencomputer verallgemeinern. An die Stelle einer Spielzeugeisenbahn, die Nullen und Einsen enthält, setzen wir eine Spielzeugeisenbahn mit einem Kompass. Seine Nadel kann nach Norden zeigen, wo wir sie mit 1 kennzeichnen, oder nach Süden, wo wir sie mit 0 kennzeichnen, oder in eine beliebige Richtung dazwischen, wo die Nadel dann die Überlagerung von Nord und Süd darstellt. Während sich der Spielzeugzug auf der Strecke bewegt, bewegt sich die Nadel in verschiedene Richtungen, entsprechend der Schrödingergleichung.
(Wenn man die Verschränkung mit einbeziehen will, fügt man dem Spielzeugzug mehrere Kompasse hinzu. Alle diese Kompassnadeln können sich auf unterschiedliche Weise bewegen, wenn der Zug die Strecke abfährt, entsprechend den Regeln des Prozessors.)
Während sich der Spielzeugzug bewegt, beginnt sich die Nadel des Kompasses zu drehen. Die Bewegung der Nadel zeichnet die in Schrödingers Wellengleichung enthaltenen Informationen nach. Auf diese Weise können wir die Wellengleichung aus der Bewegung dieser Spielzeugeisenbahn ableiten.
Der Punkt ist, dass eine Quanten-Turing-Maschine die Gesetze der Quantenmechanik kodieren kann, die wiederum das Universum regieren. In diesem Sinne kann ein Quantencomputer also das Universum kodieren. Die Beziehung zwischen einem Quantencomputer und dem Universum besteht also darin, dass Ersterer das Letztere kodieren kann. Streng genommen, ist das Universum also kein Quantencomputer, aber alle Phänomene im Universum können von einem Quantencomputer kodiert werden.
Da aber alle Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene der Quantenmechanik unterliegen, bedeutet dies, dass Quantencomputer jedes Phänomen der physikalischen Welt simulieren können, von subatomaren Teilchen über DNA und Schwarze Löcher bis hin zum Urknall.
Die Spielwiese für Quantencomputer ist das Universum selbst. Wenn wir also eine Quanten-Turing-Maschine wirklich verstehen können, dann können wir vielleicht auch das Universum wirklich verstehen.
Ob dem so ist – es wird sich zeigen.