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Quantenphysik : Schrödingers Katze wird flügge

Hochsensibles Instrument für das Eindringen ins Unsichtbare: Wartungsarbeiten in einem Ionentunnel in Darmstadt
          3 Min.

          Elektronen, die unüberwindliche Hindernisse „durchtunneln“, Atome, die sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden, oder Paare von Photonen, die auf geisterhafte Weise so miteinander verschränkt sind, dass sie sich auch über große Distanzen hinweg wie unzertrennliche Zwillinge verhalten - in der Welt der Quanten ist vieles möglich, was in der Alltagswelt undenkbar ist. Dennoch beansprucht die Quantenphysik universelle Gültigkeit. Mit immer ausgefeilteren Experimenten versuchen Wissenschaftler zu untersuchen, wie weit die Quantenphysik auch auf makroskopische Objekte übertragbar ist. Kürzlich hat eine amerikanische Forschergruppe die für Quantenobjekte typische Überlagerung von Zuständen erstmals bei einem mechanischen Oszillator beobachtet, der mit bloßem Auge sichtbar ist.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Schon der österreichische Physiker Erwin Schrödinger musste einsehen, dass es hoffnungslos ist, die Prinzipien der Quantenphysik auf die Alltagswelt anzuwenden. In einem Paradoxon wirft er die Frage auf, warum quantenmechanische Teilchen gleichzeitig mehrere Zustände annehmen können, eine Katze aber nicht. Schrödinger ersann ein Gedankenexperiment, in dem das Leben des Tiers, das in einer Kiste eingesperrt ist, von einem radioaktiven Präparat abhängig wird. Sobald der radioaktive Zerfall eintritt, wird eine giftige Substanz freigesetzt. Allerdings lässt sich nach den Gesetzen der Quantenphysik nicht sagen, ob der radioaktive Zerfall tatsächlich stattgefunden hat. Die beiden Zustände vor und nach dem Zerfall sind gleichberechtigt überlagert. Nach der Halbwertszeit eines Atoms ist die Katze somit zu fünfzigprozentiger Wahrscheinlichkeit tot oder lebendig. Die paradoxe Zwitterexistenz wird man bei einer echten Katze freilich nur schwer beobachten können. Dazu ist selbst ein Einzeller ein viel zu komplexes System. Deshalb demonstriert man quantenmechanische Überlagerungszustände gewöhnlich an Ionen oder größeren Molekülen.

          Ein extrem schwieriges Vorhaben

          Den Forschern um Andrew Cleland von der University of California in Santa Barbara ist mit ihrem Experiment nun ein großer Wurf gelungen. Ihre „Schrödinger-Katze“ war ein 40 Mikrometer langer und einen Mikrometer dicker spezieller mechanischer Oszillator, den sie über einen Kondensator mit einer supraleitenden Leiterschleife koppelten. Diese wies eine Besonderheit auf: Während in herkömmlichen Leiterschleifen der elektrische Strom entweder nur links- oder nur rechtsherum laufen kann, floss er in den supraleitenden Aluminiumdrähten in beide Richtungen gleichzeitig. Da man die eine Stromrichtung als Zustand „0“ und die andere als Zustand „1“ interpretieren kann, wird die Leiterschleife zu einem quantenmechanischen System mit zwei Energieniveaus, zu einem Qubit.

          Das Ziel von Cleland und seinen Kollegen war es nun, die Energiezustände des Quantenbits auf den Oszillator zu übertragen. Dazu musste das Bauteil zunächst in einen Zustand gebracht werden, bei dem es absolut ruhte, also kein „Phonon“ trug, wie man das elementare Schwingungsquant nennt. Ein extrem schwieriges Vorhaben, da trotz starker Kühlung stets eine gewisse thermische Energie vorhanden ist, die jegliche Quanteneffekte unterdrückt oder zerstört. Cleland und seine Kollegen nutzten den Umstand, dass der Oszillator durch seine spezielle Bauweise bei Raumtemperatur eine extrem hohe Resonanzfrequenz von sechs Milliarden Hertz (Gigahertz) besaß. Da die Temperatur linear von der Frequenz abhängt, genügte deshalb schon eine vergleichsweise moderate Temperatur von einem zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt dazu, den Resonator in den Grundzustand zu bringen - eine Temperatur, die man mit herkömmlicher Kühltechnik erreicht. Dass der gekühlte Oszillator tatsächlich im Grundzustand war, erkannten die Forscher daran, ob in der supraleitenden Leiterschleife ein Strom floss oder nicht.

          Auch diese Prüfung bestand der Oszillator

          Anschließend versetzten Cleland und seine Kollegen die Leiterschleife in den Zustand „1“. Diese Anregung übertrug sich auf den Oszillator, der nach wenigen Nanosekunden ebenfalls in einem angeregten Zustand - bestehend aus einem Phonon - war. Anschließend kehrte die Anregung wieder auf die supraleitende Leiterschleife zurück. Bis zu fünfmal wiederholte sich der Vorgang, bis das Phonon schließlich ausstarb. Anschließend ließ man den Strom in der Leiterschleife gleichzeitig links- und rechtsherum zirkulieren, was einer quantenmechanischen Überlagerung von Grundzustand und angeregtem Zustand entsprach. Auch diese Prüfung bestand der Oszillator. Der Zwitterzustand übertrug sich nach kurzer Zeit auf das Bauteil mit dem paradoxen Ergebnis, dass der Oszillator gleichzeitig in Ruhe war und schwang. Damit hatten die Forscher offenkundig eine „Schrödinger-Katze“ verwirklicht, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 464, S. 697) berichten. Der Schwebezustand hielt allerdings nur so lange an, wie niemand den Zustand des Oszillators untersuchte. Denn jede Messung hätte die Überlagerung zerstört und den Oszillator auf einen der beiden Zustände festgelegt. Es zeigte sich obendrein, dass bei den Versuchen der Resonator und das Quantenbit so miteinander verschränkt waren, wie man es gewöhnlich nur bei Photonen oder Atomen beobachtet.

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