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Die seltsame Welt der Atome Schrödingers Katze erhellt das Quantenreich

Wo beginnt der Geltungsbereich Quantenphysik, wo endet er? Jetzt schweben auch sichtbare Lichtpulse in jenem Zwitterzustand, den man von Atomen und einzelnen Photonen her kennt.

© Dean Tweed, (http://www.49society.com) Tot und lebendig: Schrödingers Katze

Als der österreichische Physiker Erwin Schrödinger 1935 seine legendäre Katze erdachte, die gleichzeitig tot und lebendig ist, illustrierte er damit die scheinbar absurden Konsequenzen, die sich ergeben, wenn man die Regeln der Quantenphysik auf die Alltagswelt überträgt. In den vergangenen Jahren haben Wissenschaftler mit immer ausgefeilteren Experimenten den Gültigkeitsbereich der Quantenphysik ausgelotet. Dabei haben sie auf unterschiedliche Weise Schrödingers Gedankenexperiment verwirklicht. So hat man etwa beobachtet, dass sich auch äußerst große Moleküle wie quantenmechanische Wellen verhalten können und durch zwei benachbarte Schlitze eines Doppelspalts gleichzeitig fliegen. Jetzt haben zwei Forschergruppen unabhängig voneinander Schrödingers Katze erstmals mit sichtbaren Lichtpulsen „zum Leben erweckt“.

Die Katze und die Höllenmaschine

In seinem Gedankenexperiment sperrte Schrödinger eine hypothetische Katze zusammen mit einer Höllenmaschine in eine Stahlkammer ein: Ein Geigerzähler registriert den Zerfall eines einzelnen instabilen Atomkerns in einer radioaktiven Substanz und löst daraufhin einen Mechanismus aus, der das Tier tötet. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik kann sich ein instabiler Atomkern in einem Schwebezustand befinden, in dem er zugleich intakt und bereits zerfallen ist. Die Höllenmaschine sorgt nun dafür, dass das Tier mit diesem Atomkern quantenmechanisch verschränkt ist. Deshalb sollte in der Stahlkammer ein Schwebezustand herrschen, in dem sowohl der Atomkern intakt ist und die Katze lebt als auch der Kern zerfallen und die Katze tot ist. Das Tier ist somit zugleich tot und lebendig - sofern niemand die Kammer öffnet und nachsieht und damit zwischen den beiden Möglichkeiten „auswählt“.

Diese paradoxe Zwitterexistenz wird man bei einer echten Katze freilich nur schwer beobachten können. Einerseits kann man den Quantenzustand eines instabilen Atomkerns nicht unter Kontrolle halten. Andererseits lässt sich auch der physikalische Zustand eines Lebewesens nicht eindeutig bestimmen. Deshalb demonstriert man Schrödingers Gedankenexperiment gewöhnlich an Ionen, größeren Molekülen oder winzigen Oszillatoren, die man gerade noch mit bloßem Auge erkennen kann. Ein anderes Modellsystem haben nun Forscher um Nicolas Gisin von der Universität Genf sowie Alexander Lvovsky und seine Kollegen von der University of Calgary in Kanada verwendet. Beiden Gruppen dienten als Katze Laserpulse, die aus vielen tausend Photonen bestanden und dadurch sichtbar waren (“Nature Physics“, doi: 10.1038/nphys2681 und 2682). Damit sich ein Lichtpuls wie sein „lebendes“ Vorbild in zwei deutlich voneinander verschiedenen Zuständen befinden konnte - also gewissermaßen tot und lebendig war -, überlagerte man ihn mit einem einzelnen Photon, das man zuvor durch einen halbdurchlässigen Spiegel geschickt hatte.

Eins und keins  zugleich

Das Lichtteilchen hatte die Rolle des Atomkerns übernommen. Das Photon wurde mit je fünfzigprozentiger Wahrscheinlichkeit vom Spiegel reflektiert oder von ihm durchgelassen. Wurde es abgelenkt, gelangte es zum Beobachter „Alice“, im anderen Fall zum Beobachter „Bob“. Wie der zerfallende Atomkern, so befindet sich das Photon in einem Schwebezustand - solange man keine Messung vornimmt. Es lässt sich keine Aussage treffen, ob das Lichtteilchen einen halbdurchlässigen Spiegel passiert oder von diesem reflektiert wird. Das Photon kann beide Wege zugleich einschlagen. Sowohl bei Alice als auch bei Bob kommen paradoxerweise ein und kein Photon zugleich an.

Katze tot, Katze lebt

Dieser quantenmechanische Schwebezustand zeigte sich auch, als man das Photon, nachdem es den halbdurchlässigen Spiegel passiert hatte und (möglicherweise) bei Bob angekommen war, mit einem Lichtpuls aus beispielsweise zehntausend identischen Photonen - Schrödinger Katze - überlagerte. Bei Bob lag dadurch ein Schwebezustand mit 10 000 und 10 001 Photonen vor - was der toten beziehungsweise der lebenden Katze entsprach. Erst als Alice und Bob die Zahl der eintreffenden Photonen mit ihren Photodetektoren bestimmten, offenbarte sich der „reale“ Zustand der Katze. Registrierte Alice ein Photon, so fand Bob zehntausend. Die Katze war tot. Fand Alice jedoch kein Photon, so waren bei Bob 10 001 Photonen angekommen - und die Katze lebte.

Verräterisches Flackern

Da die Zahl der Photonen von Lichtpuls zu Lichtpuls stark variierte, war ein einziges Lichtteilchen, um das sich eine lebende von einer toten Schrödinger-Katze unterschied, für eine sichere Unterscheidung eigentlich zu wenig. Doch die Forscher fanden eine Möglichkeit, die lebende und die tote Schrödinger-Katze auseinanderzuhalten. Dazu führten sie viele Experimente mit einzelnen Photonen und Laserpulsen durch und maßen jedes Mal, wie viele Photonen bei Alice und bei Bob angekommen waren. Dann ermittelten sie, wie stark Bobs Photonenzahl jeweils um den Mittelwert schwankte, wenn Alice ein Photon (Katze tot) beziehungsweise kein Photon (Katze lebt) registriert hatte, und verglichen beide Ergebnisse. Die kanadischen Forscher um Alexander Lvovsky stellten fest, dass die Schwankungen der Photonenzahlen im ersten Fall etwa eineinhalbmal so groß waren wie im zweiten Fall. Dadurch „flackerten“ die Lichtpulse einer lebenden Schrödinger-Katze merklich stärker als die einer toten. So konnten die Lvovsky und seine Kollegten den momentanen Zustand von Schrödingers Lieblingstier sogar mit eignen Augen sehen.

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Die Experimente zeigen, dass man die Regeln der Quantenphysik durchaus auf die Alltagswelt übertragen kann, ohne absurde Konsequenzen befürchten zu müssen - vorausgesetzt, man beschränkt sich auf jene Vorhersagen der Theorie, die sich auch tatsächlich durch Beobachtungen überprüfen lassen.

Quelle: F.A.Z.

 
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