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Seltsame Quantenwelt : Schrödingers Katze bekommt Familienzuwachs

Dieses komplexe Interferenzmuster entsteht, wenn sich die Quantenzustände von drei Photonen gleichzeitig überlagern. Bild: EQUS, Queensland

Endlich Kontakt mit der Quantenwelt: Einzelne Lichtteilchen befördern einen winzigen mechanischen Oszillator in jenen Zwitterzustand, den man von Atomen her kennt. Eine wichtige Voraussetzung für den Bau extrem empfindlicher Messsonden.

          Mit seiner legendären Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, wollte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger seinen Kollegen vor Augen führen, welche scheinbar absurden Konsequenzen sich ergeben, wenn man die Regeln der Quantenphysik konsequent auf die Alltagswelt anwendet. Diente das Gedankenexperiment vor allem dazu, die Vorstellungskraft zu strapazieren, versuchen die Forscher heute mit immer ausgefeilteren Experimenten, Atome und Lichtteilchen, aber auch große Moleküle und sogar makroskopische Objekte in einen ähnlichen Zwitterzustand zu befördern wie Schrödingers Katze. Die Objekte schweben dabei in fragilen Überlagerungszuständen – sind also gewissermaßen sowohl „tot“ als auch „lebendig“, aber nur solange niemand eine Messung vornimmt. Jede Beobachtung legt den Zustand des Systems sofort fest.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Forscher wollen damit zum einen den Gültigkeitsbereich der Quantenphysik ausloten, indem sie die Eigenschaften von Atomen oder Lichtteilchen auf mechanische Oszillatoren übertragen. Zum anderen hofft man, die quantenmechanische Superposition für den Bau extrem empfindlicher Messsonden nutzen zu können. Eine internationale Forschergruppe hat nun ein neues Verfahren entwickelt, mit der eine Schrödinger-Katze zum Leben erweckt werden könnte. Dabei haben sie entdeckt, dass die fiktive Kreatur offenbar noch weitere Verwandte hat, die sich ähnlich seltsam verhalten.

          Trommeln in der Quantenwelt

          Die Wissenschaftler vom Imperial College London sowie von den Universitäten in Queensland und Innsbruck verwendeten in ihrem Katzen-Experiment eine hauchdünne, rund zwei mal zwei Millimeter große Membran aus Siliziumnitrid, die sie mit einzelnen Photonen zu Schwingungen anregten. Um den mechanischen Oszillator in einen Überlagerungszustand zu befördern, wurden die Photonen entweder von dem Bauteil selbst oder von einem Spiegel reflektiert.

          Über diesen messtechnischen Trick schufen die Forscher eine Situation, in der nur ein einzelnes Lichtteilchen die beiden zur Verfügung stehenden optischen Wege gleichzeitig durchlief. Dieser für Quantensysteme typische Schwebezustand übertrug sich auf die Membran mit dem paradoxen Ergebnis: Der Oszillator war gleichzeitig in Ruhe und schwang, er wurde also ausgelenkt und wiederum nicht. Damit hatten die Forscher um Michael Vanner und Martin Ringbauer das klassische Gegenstück einer Schrödinger-Katze mit einem makroskopischen Objekt verwirklicht.

          Mit einem Laserstrahl tasteten die Forscher die Oberfläche des Oszillators ab und machten die Deformation der Membran als Interferenzmuster sichtbar. Der Schwebezustand der Schrödinger-Katze zeigte sich in Form von zwei Intensitätsmaxima. Vanner und seine Kollegen beließen es nicht dabei und schickten in kurzer Folge ein zweites, ein drittes und schließlich ein viertes Photon in das Interferometer. Mit jedem weiteren Lichtteilchen wurde das Schwingungsverhalten der Membran komplexer und damit auch das Interferenzmuster. Es kamen weitere Maxima hinzu. Zu Schrödingers Katzenzustand hatten sich offenkundig weitere Überlagerungszustände gesellt.

          Berechnungen zeigen, was möglich ist

          Allerdings war die Auflösung des Interferenzmusters nicht gut genug, um darin Details erkennen zu können. Dazu hätte man die Quantentrommel in die Nähe des quantenmechanischen Grundzustands bringen müssen, indem man sie auf den absoluten Temperatur-Nullpunkt kühlt. „Aus technischen Gründen hatten wir unsere Experimente bei Raumtemperatur durchgeführt“, sagt Martin Ringbauer. „Dadurch konnten wir nur hoch angeregte klassische Zustände beobachten und keine echten Quantenzustände.“

          Tot und lebendig - und das beides zugleich: Schrödingers Katze

          Was geschieht, wenn echte Quantenzustände im Spiel sind, haben Ringbauer und seine Kollegen anschließend mit einem Computer berechnet . Dabei stießen sie auf ein überaus komplexes Interferenzmuster. Die klassischen Überlagerungszustände einschließlich der Katzenzustände, die man im Experiment beobachtet hatte, bilden darin die Ecken eines Vielecks. Dazwischen tauchen weitere, noch viel feinere Interferenzstrukturen auf. Diese waren den Forschern aufgrund der geringen Auflösung verborgen geblieben.

          „Wir haben es hier mit einer neuen Klasse von Quantenzuständen zu tun, die mit den bekannten Überlagerungszuständen eng verwandt sind“, sagt Ringbauer. Mit der Zahl der sich überlagernden Quantenzustände wird auch das Muster dieser Hyperwürfelzustände zunehmend komplexer. Interessanterweise ist die Auflösung der sich überlagernden Zustände deutlich kleiner als die Zustände selbst, die durch das heisenbergsche Unschärfeprinzip ein natürliches Größenlimit haben. Ringbauer vergleicht die Interferenzmuster mit sich überlagernden sich kreisförmig ausbreitenden Wasserwellen. Dort treten ebenfalls Überlagerungsstrukturen auf, die viel kleiner sind als die Steine, welche die Wellen ausgelöst haben.

          Das macht die Quanteninterferenzen für die Konstruktion von Sensoren interessant, die an Präzision alle existierenden Messsonden in den Schatten stellen würden. Interferenzen bestimmten quasi die Feinheit der Messskala. Druck, Temperatur, Position, Beschleunigung sowie Gravitationskräfte und  magnetische und elektrische Felder könnten so mit ungeheurer Präzision vermessen werden.

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