Bereits 1973 fasste der US-amerikanische theoretische Physiker John Archibald Wheeler das Wesen der Allgemeinen Relativitätstheorie prägnant zusammen: Der Raum diktiert der Materie, wie sie sich zu bewegen hat, und die Materie diktiert dem Raum, wie er sich krümmt. Bei Einstein ist die Gravitation keine Kraft, sondern Geometrie: Ein massereiches Objekt drückt das Gewebe der Raumzeit ein wie eine Bowlingkugel eine Matratze, sodass andere Körper in die entstandene Vertiefung rollen. Dieses Bild ist elegant, weist jedoch einen entscheidenden Makel auf. Wenn ein Stern stirbt und zu einem Schwarzen Loch kollabiert, reißt diese „Delle“ die Matratze förmlich auf – und Einsteins Theorie verliert ihre Gültigkeit. Genau für solche Extremfälle benötigten Physiker eine Quantentheorie der Gravitation, weshalb sie jahrzehntelang versuchten, die Raumzeit aus reinen Quantenteilchen so zu konstruieren, dass sie sich nach Wheelers Prinzipien verhält.
Ein Durchbruch zeichnete sich Ende der 1990er Jahre dank des holografischen Prinzips ab. Juan Maldacena, Edward Witten und andere zeigten, dass ein gesamtes dreidimensionales Universum vollständig in einem Satz interagierender Teilchen an seinem zweidimensionalen Rand kodiert werden kann – ähnlich wie eine gewöhnliche Hologramm-Postkarte die Illusion von Tiefe auf einer absolut flachen Oberfläche erzeugt. Später stellte sich heraus, dass die Geometrie dieses Raums durch Quantenverschränkung zusammengehalten wird, die wie ein Bindegewebe fungiert. Durchtrennt man die „Fäden“ der Verschränkung zwischen zwei Regionen, dünnt die Brücke dazwischen (etwa ein Wurmloch) aus und verschwindet schließlich ganz. Damit hatten die Physiker den ersten Teil von Wheelers Aussage geklärt: Verschränkung erschafft die Bühne, auf der sich Materie bewegen kann. Die zweite Hälfte blieb jedoch ein Rätsel, da die Materie in diesen Modellen den Raum nicht krümmte. Die Bowlingkugel lag auf der Matratze, ohne eine Einbuchtung zu hinterlassen.
Vor Kurzem tauchte nun die fehlende Zutat auf. Mehrere Forschungsgruppen, darunter das Team um Charles Cao vom Virginia Polytechnic Institute, entdeckten, dass eine spezielle Eigenschaft der Quantenmechanik namens „Magic“ für die Elastizität der Raumzeit verantwortlich ist. Dieser Parameter spiegelt die wahre Quantennatur eines Systems wider und zeigt, wie schwierig es ist, dessen Zustand auf einem gewöhnlichen Computer zu simulieren. Der Begriff selbst wurde bereits 2004 von den Physikern Alexei Kitaev und Sergei Bravyi eingeführt. Ihrer Theorie zufolge entsteht „Magic“ durch den Einsatz sogenannter Nicht-Clifford-Gatter – und genau diese verschaffen Quantencomputern ihren gewaltigen Vorteil gegenüber klassischen Systemen. Cao nennt die „Magic“ metaphorisch einen „Weichspüler für das Raumgewebe“. Wie John Preskill vom California Institute of Technology, der an der neuen Studie beteiligt war, anmerkte, wird ohne diese „Magie“ alles zu simpel – während die Quantenraumzeit weitaus komplexer aufgebaut ist.
Um die Rolle der Gravitation zu verstehen, muss man die Quantenfehlerkorrektur betrachten – jene Codes, die fragile Informationen in Quantencomputern schützen, indem sie diese über viele Qubits „verteilen“. Daniel Harlow und andere zeigten bereits vor rund zehn Jahren, dass die Holografie nach derselben Logik funktioniert. Doch die alten „Stabilisator-Codes“ trennten die Verschränkung strikt in zwei Teile – einen für den Raum und einen für die Materie –, die sich gegenseitig nicht beeinflussen konnten. Der Raum war zwar formvollendet, blieb aber träge und leblos. Die Lösung war ein Code der neuen Generation, den Cao, Preskill und Kollegen im Jahr 2026 entwickelten: Er ist reich an Nicht-Clifford-Gattern und somit „magisch“. Diese Magie erlaubt es der Verschränkung des Raums und der Verschränkung der Materie, endlich zu interagieren, sodass sich der Raum als Antwort auf Materie zu krümmen beginnt. Cao selbst äußert sich vorsichtig in seinen Einschätzungen: Der Code sei bisher sehr allgemein gehalten und beschreibe weder unser spezifisches Universum noch den Zeitverlauf. „Dies liefert uns einen Vorläufer der Gravitation“, sagt er, „wir befinden uns derzeit bei Schritt 0,5 von 5.“
Doch selbst in diesem frühen Stadium zeichnet sich ein ästhetisches und überraschendes Bild ab. Die beiden zentralen Merkmale der Quantenmechanik – Verschränkung und Magie – entsprechen exakt den zwei Haupteigenschaften des Raums: seiner Form und seiner Flexibilität. Es scheint, als sei der Raum an sich eines der „quantenhaftesten“ Dinge, die man sich vorstellen kann. Zudem entspringt die Gravitation offenbar einer Unvollkommenheit der Kodierung: Codes ohne Magie schützen Informationen perfekt und erzeugen so einen starren Raum ohne Schwerkraft, während echte Gravitation erst durch ein „Durchsickern“ oder Vermischen der kodierten Informationen entsteht. Spinnt man diese Metapher weiter, dann ist eine gewisse „Nachlässigkeit“ des Codes – wie der Physiker Bartek Czech von der Tsinghua-Universität scherzte – der eigentliche Grund, warum Newtons Apfel einst zur Erde fiel.
