In 1973 vat de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Archibald Wheeler de essentie van de algemene relativiteitstheorie kernachtig samen: de ruimte dicteert de materie hoe ze moet bewegen, en de materie dicteert de ruimte hoe ze moet krommen. Voor Einstein is zwaartekracht geen kracht, maar geometrie: een massief object drukt het weefsel van de ruimtetijd in als een bowlingbal op een matras, waardoor andere objecten in de ontstane kuil rollen. Dat beeld is elegant, maar kent een fatale tekortkoming. Wanneer een ster sterft en ineenstort tot een zwart gat, scheurt de 'kuil' dwars door het matras heen — en de theorie van Einstein werkt niet meer. Juist voor zulke extreme gevallen hadden natuurkundigen een quantumtheorie van de zwaartekracht nodig, en decennialang probeerden zij de ruimtetijd op te bouwen uit louter quantumdeeltjes, zodanig dat deze zich volgens de principes van Wheeler zou gedragen.
Eind jaren negentig diende zich een doorbraak aan dankzij het holografisch principe. Juan Maldacena, Edward Witten en anderen toonden aan dat een volledig driedimensionaal universum volledig gecodeerd kan worden in een verzameling op elkaar inwerkende deeltjes op de tweedimensionale rand ervan — net zoals een gewone holografische ansichtkaart de illusie van volume wekt op een volkomen vlak oppervlak. Later bleek dat de geometrie van deze ruimte bijeengehouden wordt door quantumverstrengeling: het fungeert als een soort bindweefsel. Als je de 'draden' van de verstrengeling tussen twee gebieden doorknipt, wordt de brug ertussen (zoals een wormgat) dunner en verdwijnt deze uiteindelijk. Zo kregen natuurkundigen de eerste helft van Wheelers stelling onder de knie: verstrengeling creëert het toneel waarop materie kan bewegen. Maar de tweede helft bleef een raadsel — in deze modellen zorgde materie namelijk niet voor een kromming van de ruimte. De bowlingbal lag op het matras zonder een deuk achter te laten.
Onlangs is echter het ontbrekende ingrediënt ontdekt. Verschillende onderzoeksteams, waaronder de groep van Charles Cao van Virginia Tech, ontdekten dat een specifieke eigenschap van de quantummechanica genaamd 'magic' (magie) verantwoordelijk is voor de elasticiteit van de ruimtetijd. Deze parameter weerspiegelt de werkelijke quantumaard van een systeem en laat zien hoe moeilijk het is om de toestand ervan op een gewone computer te simuleren. De term zelf werd al in 2004 geïntroduceerd door de natuurkundigen Alexei Kitaev en Sergey Bravyi. Volgens hun theorie ontstaat 'magie' door het gebruik van zogeheten niet-Clifford-poorten — en precies dat geeft quantumcomputers hun enorme voorsprong op klassieke systemen. Cao noemt magie beeldend een 'wasverzachter voor het ruimteweefsel'. Zoals John Preskill van Caltech, die aan het nieuwe onderzoek meewerkte, opmerkte: zonder magie wordt alles te simpel, terwijl de quantumruimtetijd juist complexer in elkaar steekt.
Om te begrijpen wat zwaartekracht hiermee te maken heeft, moeten we kijken naar quantumfoutcorrectiecodes — de codes die kwetsbare informatie in quantumcomputers beschermen door deze te 'verspreiden' over een groot aantal qubits. Daniel Harlow en anderen toonden ongeveer tien jaar geleden aan dat holografie volgens diezelfde logica werkt. Oude 'stabilisatorcodes' verdeelden de verstrengeling echter strikt in twee delen — apart voor de ruimte en apart voor de materie — en die delen konden elkaar niet beïnvloeden. De ruimte was daardoor perfect, maar inert en doods. De oplossing kwam met een nieuwe generatie codes die Cao, Preskill en hun collega's in 2026 ontwikkelden: deze is verzadigd met niet-Clifford-poorten en is dus 'magisch'. Deze magie zorgt ervoor dat de verstrengeling van de ruimte en die van de materie eindelijk met elkaar kunnen interageren, waardoor de ruimte begint te buigen als reactie op materie. Cao zelf is voorzichtig in zijn oordeel: de code is momenteel nog erg algemeen en beschrijft noch ons specifieke universum, noch het verloop van de tijd. "Dit geeft ons een voorloper van zwaartekracht," zegt hij, "we bevinden ons nu op stap 0,5 van de 5."
Maar zelfs in dit vroege stadium tekent zich een prachtig en onverwacht beeld af. De twee belangrijkste eigenschappen van de quantummechanica — verstrengeling en magie — komen exact overeen met de twee belangrijkste kenmerken van de ruimte: haar vorm en haar flexibiliteit. Het blijkt dat de ruimte zelf een van de meest 'quantumbasale' dingen is die we ons kunnen voorstellen. Bovendien lijkt zwaartekracht voort te komen uit imperfecties in de codering: codes zonder magie beschermen informatie perfect en creëren zo een inerte ruimte zonder zwaartekracht, terwijl echte zwaartekracht juist ontstaat door lekkage en de vermenging van gecodeerde informatie. Om de metafoor door te trekken: die lichte 'slordigheid' in de code is volgens een grapje van natuurkundige Bartek Czech van de Tsinghua Universiteit precies de reden waarom de appel van Newton ooit naar beneden viel.
