Korrelationen, Kopieren und „Darwinismus“ in der Quantenphysik

Von Mikroben zum Magen der Welt

Die erste Frage war: Wie viele verschiedene Arten leben ständig im oder am menschlichen Körper, sortiert von den häufigsten zu den seltensten, alle mit Namen?

So eine endgültige Liste gibt es nicht, weil wir ständig neue Mikroben finden und alles vom Körperteil und von der Person abhängt.

Eine viel genutzte Zusammenfassung des Human Microbiome Project sagt, dass Menschen insgesamt etwa 10.000 Bakterienarten beherbergen, während eine einzelne Person etwa 1.000 gleichzeitig trägt.

Dann wollte ich es einfacher und näher an uns: nur Tiere mit einem Nervensystem und so etwas wie einem Herzen, eine Top 10 derjenigen, die auf oder in Menschen leben.

Das verschiebt die Antwort weg von Mikroben hin zu meist Arthropoden wie Milben und Läusen und ein paar Parasiten, die bleiben.

Die konstantesten echten Bewohner in dieser Gruppe sind Demodex-Milben, die weithin als häufige oder sogar permanente Bewohner unserer Haarfollikel und Talgdrüsen beschrieben werden.

Als Nächstes: Wer steht wirklich allein an der Spitze der Nahrungskette und wird nicht gefressen wie wir? In der Natur entkommt am Ende kein großes Lebewesen dem Gefressenwerden, und wenn es kein Raubtier ist, dann sind es die Zersetzer.

Ich habe es den Magen der Welt genannt, und diese Rahmung ist stark. Auf lange Sicht kommen die Zersetzer dem Endverbraucher am nächsten: Mikroben, Pilze und so weiter, die Biomasse zurück in Chemie verwandeln.

Aliens, Meteoriten und der erste Funke

Dann das wahrscheinlichste Alien, das wir finden werden. Sind es Mikroben, und ist das nur so, weil Mikroben überall sind? Die vorsichtige Mainstream-Sicht ist, dass die ersten Funde wahrscheinlich mikrobielles Leben oder Biosignaturen sein werden, weil Mikroben zäh sind und weil chemische und morphologische Spuren leichter zu entdecken sind als komplexe Lebewesen.

NASAs Astrobiologie-Material sagt es direkt: Eine Biosignatur ist jedes Merkmal, das ein Beweis für Leben sein kann, jetzt oder in der Vergangenheit.

Ich habe auch gefragt, ob ein Ereignis, ein Meteorit wie Murchison, der Aminosäuren und andere Organik bringt, der große Moment sein könnte. Meteoriten wie Murchison sind starke Beweise dafür, dass Organik, auch Aminosäuren, aus dem All kam, und Isotopenanalysen sprechen gegen einfache irdische Verunreinigung.

Aber die Zutaten zu liefern ist nicht dasselbe wie darwinistisches Leben zu starten.

Und ich habe die vage Antwort „Milliarden von Jahren sind vergangen" nicht akzeptiert, ich wollte einen spezifischen Funken. In Evolutionstermen ist der kleinste Schritt von Chemie zu Evolution dieser:

Ein selbstkopierendes System mit Vererbung und Variation, fähig, darwinistischer Evolution zu unterliegen, oft vorgestellt als ein RNA-ähnlicher Replikator in einem Kompartiment (eine Protozelle).

Dort wird Information zu einem Prozess in einer Population und nicht nur zu einem chemischen Muster, das einmal passiert. Ein späterer großer Schritt hin zu Komplexität auf menschlichem Niveau wird oft als Eukaryogenese mit Mitochondrien beschrieben, ein Sprung in Energie und in der Komplexität, die Zellen erreichen können. Aber dieser Teil unseres Gesprächs war mehr eine Idee als etwas, das wir mit Quellen belegt haben.

Mein Vergleich mit Physik

Mein eigentlicher Vorschlag war ein Vergleich. In der Physik verändert sich Materie (Fusion und Fission), Kettenreaktionen verzweigen sich, und große Systeme streben gewissermaßen zum Gleichgewicht, wie warme und kalte Luft, die sich mischt.

Vielleicht wird Information aufbewahrt und weitergegeben, vielleicht sogar als Quanteninformation über große Distanzen, ein bisschen wie RNA.

Vielleicht konkurrieren Quantenzustände miteinander und einige von ihnen bleiben, und das sieht aus wie Darwin. Und weitergedacht: Vielleicht sind Schwarze-Löcher-Innenräume, die Expansion des Universums und die Entstehung von Materie auf eine Weise verschränkt, die Veränderung und Chaos in der Ferne erzeugt.

Um dieser Idee gerecht zu werden, muss man drei Dinge auseinanderziehen. Erstens Amplifikation und Gleichgewicht, die in der Physik normal sind. Zweitens darwinistische Evolution, die Kopieren von einer Vorlage plus Variation, die man vererben kann, plus Selektion braucht.

Und drittens Quantenkorrelationen, also Verschränkung, versus die Quanten-zu-klassisch-„Selektion", die Dekohärenz und Quantum Darwinism beschreiben.

Wo Verschränkung die Idee bricht

Meine Kernbehauptung war: Wenn A und B verschränkt sind, aktualisiert eine Änderung von A auch B, und wenn B nicht allein ist, muss B das beeinflussen, was um es herum ist. Hier bricht es.

Verschränkung bedeutet starke Korrelationen, die im Gesamtsystem nicht klassisch sind, aber was B lokal sieht, ändert sich nicht auf eine Weise, die du kontrollieren kannst, nur indem du etwas bei A tust.

Das ist das No-Communication-Theorem, auch No-Signaling genannt. Du kannst Operationen an A nicht benutzen, um Information schneller als Licht an B zu senden, und Bs reduzierter Zustand, also alles, worauf B lokal zugreifen kann, bleibt in dem Sinn gleich, der zählt.

Das Gedankenexperiment, bei dem ich landete, war der Auf-und-Ab-50-50-Punkt. Sagen wir, A und B teilen ein Bell-Paar. Wenn beide entlang derselben Achse messen, sind die Ergebnisse perfekt korreliert (oder antikorreliert).

Aber B allein sieht immer noch die Hälfte der Zeit auf und die Hälfte der Zeit ab, egal was Alice zu messen entscheidet.

Also sieht alles um B herum, das auf auf oder ab reagiert, dieselbe lokale Mischung, bis es später Alices klassische Aufzeichnung bekommt.

Musst du beide Seiten gleichzeitig ändern? Nein. Um Verschränkung zu zeigen, misst du beide Seiten und schaust auf die Korrelationen. In den starken Experimenten werden die Einstellungen unabhängig und schnell gewählt, damit keine klassische Koordination reinschleichen kann.

Das ist die Logik hinter Bell-Tests und den loophole-freien Experimenten. Der Standardweg, Verschränkung zu beweisen, ist eine Bell-Ungleichungsverletzung, oft CHSH. Loophole-freie Bell-Tests mit getrennten Spins in Diamant sind das klassische Beispiel, das lokal-realistische Ideen unter wirklich strengen Regeln ausschließt.

Teleportation, Qudits und Spin in Fusion

Ich habe auch irgendwie auf Quanteninformationsübertragung über große Distanzen gezeigt, als ich sagte, Information wird über Distanz weitergegeben. Quantenteleportation ist der saubere Fall.

Sie bewegt die Identität eines unbekannten Quantenzustands, aber sie braucht klassische Kommunikation, also kann sie nicht schneller als Licht sein.

Ich habe gefragt, ob Verschränkung nur über Spin ist, 0 oder 1, und ob andere verschränkte Eigenschaften die Umgebung anders beeinflussen könnten. Sie ist nicht auf Spin oder zwei Niveaus beschränkt.

Viele Eigenschaften können verschränkt sein: Polarisation, Pfad, Energie und Zeit-Bin, Bahndrehimpuls, und Systeme können Qudits mit d Niveaus oder Continuous-Variable-Modi sein.

Qubits gewinnen in der Technik, weil sie einfacher zu bauen sind, nicht wegen irgendeiner grundlegenden Grenze.

Dann Spin in Kernfusion und -spaltung. Ist das physikalisch wichtig, und könnte Verschränkung Fusionspfade ändern? Spin ist lokal in Kernreaktionskanälen wichtig.

Ein konkretes Beispiel ist spinpolarisiertes Deuterium-Tritium-Brennmaterial, von dem vorhergesagt wird, dass es den D-T-Fusionsquerschnitt um etwa einen Faktor 1,5 erhöht, also etwa 50 %, wenn die Polarisation ideal ist.

Aber das ist ein lokaler Spin-Effekt und nicht Verschränkung, die dir Fernsteuerung gibt.

Quanten-Darwinismus

Das ist der Kern dessen, was ich gesucht habe: ein Prozess, bei dem manche Zustände bestehen bleiben, andere aussterben und Information sich in der Umgebung verbreitet.

Quanten-Darwinismus ist ein Framework, das eng mit Zureks Programm verbunden ist und beschreibt, wie die klassische Welt aus einer Quantenbasis entstehen kann.

Ein System interagiert mit einer Umgebung. Dekohärenz vernichtet bestimmte Superpositionen. Eine bevorzugte Gruppe stabiler Zustände, die Pointer-Zustände, wird ausgewählt, weil sie die Beobachtung durch die Umgebung überleben.

Und dann macht die Umgebung das Entscheidende: Sie speichert viele Kopien der Information über diese Pointer-Zustände, sodass viele Leute denselben klassischen Fakt selbst finden können, ohne das System groß zu stören.

Dieses Kopieren ist der Darwin-Teil: Selektion (Pointer-Zustände) plus Replikation (Aufzeichnungen in der Umgebung). Die Größe, die man misst, ist die Quanten-Mutual-Information zwischen dem System und Teilen der Umgebung.

Wenn man immer größere Teile nimmt, steigt die Information über den Pointer-Zustand schnell an und erreicht dann ein Plateau, was bedeutet, dass viele kleine Teile einem schon dasselbe sagen. Dieses Plateau gilt weithin als die Signatur des Quanten-Darwinismus.

Wo also ist die Verbindung zu Darwin? Selektion, weil nur manche Zustände unter Beobachtung stabil sind. Replikation, weil die Umgebung viele Kopien der Pointer-Information anfertigt.

Und Fitness bedeutet hier Stabilität unter Dekohärenz, nicht mehr Nachkommen zu haben. Aber es gibt einen wichtigen Unterschied zur Biologie.

Darwinismus in der Biologie ermöglicht offene Anpassung, weil die Vorlage, das Genom, viele komplexe Funktionen kodieren kann und mit Variation kopiert wird. Beim Quanten-Darwinismus geht es darum, welche Zustände objektiv und klassisch werden, und er baut keine komplexen Maschinen durch Selektion über Zeit.

Ein Zwei-Flügel-Experiment

Was ich am Ende wollte, waren zwei verschränkte Systeme, jedes mit seiner eigenen Umgebung, bei denen die Verschränkung auf beiden Seiten eine Darwin-artige Reaktion auslöst. Der Weg, das real und testbar zu machen, sieht so aus.

Verschränkung liefert die nicht-klassischen Korrelationen zwischen A und B, die globale Struktur.

Quanten-Darwinismus liefert den lokalen Darwin-artigen Prozess: Jede Umgebung wählt Pointer-Zustände aus und zeichnet sie vielfach auf. Verschränkung löst keine Änderungen in der fernen Umgebung aus, die Darwin-artige Reaktion passiert lokal auf jeder Seite.

Aber man kann mit Verschränkung anfangen und beobachten, wie sie zu objektiven klassischen Aufzeichnungen wird.

Man könnte das auf supraleitenden Schaltkreisen laufen lassen, mit vielen kontrollierbaren Qubits und künstlich gebauten Umgebungen, oder auf Photonik, die einem verteilte Systeme und natürliche Umgebungsteile durch gestreute Photonen liefert.

Supraleitende Schaltkreise sind attraktiv, weil dort vollständige Quanten-Darwinismus-Signaturen kürzlich in einem Science-Advances-Paper gezeigt wurden. Das Zwei-Flügel-Protokoll würde so ablaufen.

Schritt 0 ist die Verschränkung vorzubereiten, also in Punkt 1 bringt man zwei System-Qubits A und B in einen Bell-Zustand. Schritt 1 ist die Verschränkung vor jedem Darwinismus zu prüfen, also in Punkt 2 macht man einen CHSH-Bell-Test (oder Zustandstomographie) für die nicht-klassischen Korrelationen, mit derselben Logik wie bei den loophole-freien Tests, auch wenn ein Laboraufbau wahrscheinlich nicht raumartig getrennt ist.

Schritt 2 ist die Umgebungen anzuhängen, Punkte 3 und 4. Man koppelt A an eine Umgebung E_A, ein Register von Ancilla-Qubits oder photonischen Moden, und B an eine separate Umgebung E_B.

Schritt 3 baut das Kopieren in die Umgebung ein. In Punkt 5 macht man wiederholte kontrollierte Schritte, die den Pointer-Basis-Wert von A in mehrere Ancillas in E_A einprägen, und dasselbe für B in E_B. Das ist die Replikation: Viele Umgebungsteile tragen dieselbe Aufzeichnung.

Schritt 4 zeigt die Darwinismus-Signatur lokal. In Punkt 6 berechnet man für jede Seite einzeln die Mutual Information zwischen System und Umgebungsteilen als Funktion der Teilegröße und sucht nach dem schnellen Anstieg und dann dem Plateau.

Schritt 5 zeigt Selektion. In Punkt 7 wiederholt man das Ganze mit dem System in einer Superposition von Nicht-Pointer-Zuständen und zeigt, dass die Umgebung diese Information nicht vielfach aufzeichnet, sie wird einfach weg-dekohäriert. Das zeigt, dass die Umgebung eine Pointer-Basis auswählt.

Und Schritt 6 zeigt den Übergang von Verschränkung zu klassisch. In Punkt 8 verfolgt man, wie die anfängliche A-B-Verschränkung abnimmt, während sich lokale Aufzeichnungen vervielfachen, und wie die klassischen Korrelationen zwischen den Aufzeichnungen in E_A und E_B, die zur anfänglichen Verschränkung passen, die Realität werden, auf die man zugreifen kann.

Das würde Verschränkung am Anfang beweisen, lokale Darwin-artige Redundanz und einen kontrollierten Übergang von nicht-klassischen Korrelationen zu objektiven Aufzeichnungen. Es würde keinen schneller-als-Licht-Einfluss oder Fernsteuerung beweisen, No-Signaling schließt das aus.

Wie realistisch es ist

Wie realistisch ist das? Manche Teile sind ziemlich sicher, weil sie schon in irgendeiner Form gemacht wurden. Bell-Verletzungen und Verschränkungsprüfung sind Routine, und es gibt loophole-freie Beispiele.

Quanten-Darwinismus-Signaturen, viele Kopien von Aufzeichnungen und die Verzweigungsstruktur, in der die klassische Welt auftaucht, wurden 2025 in supraleitenden Schaltkreisen in Science Advances gezeigt.

Der neue Teil ist die Kombination: Mit A-B-Verschränkung anfangen, dann zwei separate Umgebungen voller kopierter Aufzeichnungen E_A und E_B aufbauen und abbilden, wie Verschränkung zu objektiven Aufzeichnungen wird.

Das ist als Idee einfach, aber als Experiment schwieriger, weil man mehr Qubits und Moden braucht, eine engere Abstimmung und sorgfältige Buchführung darüber, welche Information vielfach zugänglich ist und was Quanten bleibt.

Die Zutaten existieren also, und das kombinierte Experiment ist ein glaubwürdiger nächster Schritt und keine Science-Fiction.

Was ich daraus mitnehme

Was ich daraus mitnehme, ist einfach. Verschränkung ist eine Struktur von Korrelationen, kein Fernsteuerungskabel. Wie B seine Umgebung beeinflusst, ist durch das festgelegt, was B lokal hat, und A kann das nicht kontrolliert ändern ohne klassische Kommunikation.

Meine Darwin-Idee passt am besten nicht auf Verschränkung selbst, sondern auf Dekohärenz plus viele Kopien von Aufzeichnungen, und das ist genau das, was Quanten-Darwinismus beschreibt und testet.

Wenn man ein Darwin-artiges Quanten-Gedankenexperiment will, ist das richtige Bild die Umgebung, die Pointer-Zustände selektiert und Aufzeichnungen repliziert, und der richtige Test ist das Mutual-Information-Plateau, plus zu verfolgen, wie Verschränkung abnimmt und objektive klassische Korrelationen zunehmen.

Und Spin kann lokale Kernreaktionsraten stark verändern, wie bei polarisierter Fusion, aber das ist keine Fernursache durch Verschränkung.