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Veröffentlicht: 12.07.2016, 18:00 Uhr

Kuriose Quantenphysik Schrödinger hätte Spaß

Lebendig und tot, und das an zwei Orten gleichzeitig: Ein höchst subtiler Quantenzustand ist jetzt mit Mikrowellen verwirklicht worden.

von Rainer Scharf
© dpa „Noch fühle ich mich recht lebendig.“

Mit seiner legendären Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, wollte Erwin Schrödinger illustrieren, welche scheinbar absurden Konsequenzen sich ergeben, wenn man die Regeln der Quantenphysik auf die Alltagswelt anwendet. Inzwischen sind in einigen Forschungslabors zahlreiche physikalische Systeme untersucht worden, die sich in einem ähnlichen Zwitterzustand befinden wie Schrödingers Katze. Dabei wird in immer ausgefeilteren Experimenten der Gültigkeitsbereich der Quantenphysik ausgelotet. Jetzt haben Physiker an der Yale University in New Haven gezeigt, dass Schrödingers Kreatur sich sogar an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig aufhalten kann – zumindest in der Welt der Quanten.

In seinem Gedankenexperiment aus dem Jahr 1935 sperrte Schrödinger eine hypothetische Katze zusammen mit einer Höllenmaschine in eine Kammer 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.

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

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 schwebt solange zwischen Tod und Leben, bis jemand die Kammer öffnet und nachsieht und damit zwischen den beiden Möglichkeiten „auswählt“.

Mikrowellenfelder im Katzenzustand

Da ein solches Experiment, das außerhalb heutiger physikalischer Möglichkeiten liegt, sich schon allein aus Gründen des Tierschutzes verbietet, experimentieren die Forscher mit künstlichen Schrödinger-Katzen. Dazu verwenden sie beispielsweise Atome oder Moleküle. Die Yale-Forscher um Robert Schoelkopf bevorzugen hingegen elektromagnetische Mikrowellenfelder. Letztere enthalten nämlich so viele Schwingungsquanten, dass sie eigentlich den Gesetzen der klassischen Physik unterworfen sein sollten.

Tatsächlich sind die Mikrowellenfelder aber in einem Zwitterzustand präpariert: Sie befinden sich dadurch gleichzeitig in zwei verschiedenen klassischen Schwingungszuständen, die einer lebendigen und einer toten Schrödinger-Katze entsprechen. Dieser Überlagerungszustand führt zum Beispiel zu der bizarren Situation, dass die Feldstärke der Mikrowellen im selben Augenblick sowohl zu- als auch abnimmt, etwas das man in der Alltagswelt nicht beobachtet.

Die Forscher um Schoelkopf haben jetzt anhand von speziell präparierten Mikrowellenfeldern demonstriert, dass Schrödingers Katze nicht nur im subtilen Zwischenzustand schwebt, sondern sich dabei auch noch an zwei verschiedenen Orten gleichzeitig befinden kann. Dazu haben sie Mikrowellenfelder in zwei zylinderförmigen Hohlräumen eingespeist, die in einem wenige Zentimeter großen Aluminiumblock eingelassen waren. Die Felder bestanden aus bis zu 80 Photonen, womit sie klassischen Mikrowellen ähnelten, die man etwa in einem Mikrowellenherd verwendet.
Den Aluminiumquader kühlten die Forscher fast auf den absoluten Temperaturnullpunkt ab, woraufhin er supraleitend wurde. Der elektrische Widerstand sank auf Null. Unter diesen Bedingungen ließen sich die Mikrowellenphotonen in den Hohlräumen einige Millisekunden lang halten, was in diesem Zusammenhang eine recht lange Zeitspanne ist.

Tote und lebendige an zwei Orten

Anschließend koppelten Schoelkopf und seine Mitarbeiter die beiden Resonatoren miteinander. Dazu verwendeten sie ein besonderes supraleitendes Bauelement, das diskrete Energiezustände hatte und sich dadurch wie ein künstliches Atom verhielt. Damit konnte man die eingesperrten Photonen kontrollieren, manipulieren und detaillierte Informationen über ihren Zustand gewinnen.

Schrödingers Katze © Michael Helfenbein, Yale University Vergrößern Schrödingers Katze an zwei Orten gleichzeitig

Bei ihrem Experiment brachten Schoelkopf und seine Kollegen die Mikrowellenfelder in jedem Hohlraum zunächst getrennt in einen Zustand, der dem einer Schrödinger-Katze entsprach. Um eine Schrödinger-Katze in beiden Resonatoren gleichzeitig zum „Leben“ zu erwecken, nutzen die Forscher das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung. Dabei lassen sich die Zustände zweier räumlich separierter Systeme derart miteinander koppeln, dass sie wie mit einem unsichtbaren Band permanent in Verbindung stehen. Manipuliert man das eine System, spürt dies sofort das andere und ändert entsprechend seinen Zustand.

Die Forscher strahlten über das supraleitende künstliche Atom eine Folge von Mikrowellenpulsen ein, die bewirkten, dass die in den Hohlräumen befindlichen Mikrowellenfelder nicht mehr unabhängig voneinander waren sondern ein perfekt miteinander abgestimmtes Verhalten zeigten. Beide Felder waren sowohl „lebendig“ als auch „tot“ und das gleichzeitig. Damit war aus den beiden unabhängigen Schrödinger-Katzen eine einzige geworden, die sich über beide Resonatoren ausgebreitet hatte, berichten  Schoelkopf und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“.

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Als „nützlichen“ Nebeneffekt haben Schoelkopf und seine Kollegen auf diese Weise ein universelles logisches Quantengatter verwirklicht, wie man es für die Quanteninformationsverarbeitung und für einen Quantencomputer benötigt. Mit der Erschaffung einer Schrödinger-Katze, die sich an zwei Orten gleichzeitig aufhält, hat die Kontrolle von Quantenzuständen eine neue Stufe erreicht. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten. So kann man durch quantenmechanische Überlagerung und Verschränkung von klassischen Mikrowellenfeldern, wie sie es den Forschern aus Yale in ihrem Experiment gelungen ist, Quanteninformationen, die man nicht wie klassische Daten kopieren kann, redundant speichern. Diese Redundanz gestattet eine wirksame Korrektur im Fall von fehlerbehafteten Berechnungen in einem Quantencomputer.

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