Quantenphysik: Physiker machen Schrödingers Katze Feuer unterm Hintern

Überlagerung, ein bizarrer Quanteneffekt, gelingt am ehesten nahe dem absoluten Nullpunkt. Doch die Welt ist warm und chaotisch. Forschende testeten nun die Grenzen des Phänomens

Das Gute an der physikalischen Forschung ist: In der Regel kommen keine Tiere zu Schaden. Und wenn, dann nur imaginäre Tiere. Wie in einem der berühmtesten Gedankenexperimente der Physik, erdacht 1935 von Erwin Schrödinger, einem der Pioniere der Quantenphysik.  

Man setze, so Schrödinger, eine Katze in eine Kiste, in der sich ein Tötungsmechanismus befindet, beispielsweise Giftgas. Wann die Maschinerie in Gang gesetzt wird, bestimmt ein ebenfalls in der Kiste platziertes radioaktives Atom. Wenn dieses zerfällt, beginnt die Exekution, das Giftgas wird freigesetzt, die Katze stirbt. Allerdings lässt sich nicht vorhersagen, wann das Atom zerfällt, denn der genaue Zeitpunkt ist laut Quantenphysik reiner Zufall. Und so weiß ein außenstehender Beobachter nicht, ob die Katze in der Kiste noch lebt oder bereits tot ist. Es sei denn, er öffnet die Box und schaut nach.  

So weit, so grausam. Legendär wird das Gedankenexperiment, wenn man es aus der Perspektive der Quantenphysik betrachtet. Ihren Gesetzen zufolge befindet sich das radioaktive Atom in einem bizarren Zwischenzustand: Solange niemand es beobachtet, ist es gleichzeitig zerfallen und nicht zerfallen. Erst wenn es mit seiner Umwelt in Kontakt kommt, muss es sich für einen der zwei Zustände "entscheiden". Diese Superposition oder Überlagerung zählt zu den kuriosen und schwer vorstellbaren Eigenschaften von Quantenobjekten.  

In Schrödingers Gedankenexperiment passiert nun etwas, gegen das sich unser Denken sträubt: Die Unentschiedenheit des Atoms überträgt sich auf die Katze. Alles, was in der Box den Blicken des Betrachters entzogen ist – vom Atom über den Tötungsmechanismus bis hin zur Katze –, bildet eine Einheit. Und so befindet sich die Katze zugleich in den Zuständen "lebendig" und "tot". Zumindest, solange niemand die Kiste öffnet.  

Mit seinem Gedankenexperiment wollte Schrödinger nicht zur Tierquälerei aufrufen, sondern die absurden Konsequenzen der Quantenphysik illustrieren, die unserem Alltagsverständnis widersprechen. Ihm selbst schien die Konsequenz "lebendig und tot zugleich" so absurd, dass er glaubte, die Quantenphysik sei noch nicht vollständig verstanden. Irgendetwas musste verhindern, dass sich die kuriosen Quanteneigenschaften aus dem Mikrokosmos auf unsere Alltagswelt übertragen.  

Einen solchen Mechanismus haben Forschende seit Schrödingers Zeiten entdeckt: die Dekohärenz. Nur solange man Objekte vollständig in Ruhe lässt, können ihre wunderlichen Quanteneigenschaften wirklich zutage treten. Schon die geringste Störung sorgt dafür, dass die verschiedenen Zustände unabhängig voneinander mit der Umwelt verschmelzen. Ihre Gleichzeitigkeit lässt sich fortan nicht mehr beobachten. Objekte mit Quanteneigenschaften erweisen sich deshalb als extreme Sensibelchen und introvertierte Einzelgänger. 

Sensibelchen werden kaltgestellt 

In Schrödingers Gedankenexperiment ist das fragile Miteinander von "lebendig" und "tot" also auseinandergefallen, lange bevor der Beobachter den Deckel hebt. Denn das Innere der Box ist keineswegs von der Außenwelt isoliert. Unentwegt dringen Informationen über das Wohlbefinden der Katze nach außen. Ein Beobachter könnte die Kiste mit einer Infrarotkamera filmen, um die Wärmestrahlung ihres Körpers sichtbar zu machen. Er könnte die Abwärme der Box mit einem Thermometer messen. Er könnte Atem- oder Verwesungsgase detektieren. Oder er könnte auf ein Lebenszeichen lauschen – ein Rascheln, ein Kratzen, ein Miauen. Selbst wenn der Beobachter all das nicht tut, wären die Informationen in der Außenwelt zu finden. Somit ist die Katze keineswegs so isoliert, dass sie gleichzeitig tot und lebendig sein könnte.

Damit ein Objekt einen Zustand der Überlagerung einnehmen und aufrechterhalten kann, muss das Sensibelchen radikal von der Umwelt abgeschirmt werden. Nötig ist ein Vakuum, sodass kein Zusammenstoß mit einem Luftmolekül droht. Auch elektromagnetische Strahlung muss draußen bleiben. Das Objekt sollte möglichst klein sein, damit es wenig Angriffsfläche bietet. Und es sollte so kalt wie möglich sein, damit es weder zappelt noch Wärmestrahlung abgibt – denn damit täte es der Umwelt seinen Zustand kund. Idealerweise befindet es sich bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in seinem "Grundzustand", dem Zustand kleinstmöglicher Energie.

So absurd hoch diese Anforderungen sind: Physikerinnen und Physiker können sie mittlerweile mit großer Selbstverständlichkeit erfüllen. Nach Jahrzehnten der Forschung ist es kein Hexenwerk mehr, Objekte von ihrer Umwelt abzuschirmen und in einen Quantenzustand zu überführen. In Laboren weltweit sind "Schrödingers Katzen" Alltag, auch wenn sie nicht aus Fleisch und Blut bestehen, sondern aus einzelnen Elementarteilchen, Atomen oder Molekülen. Forschende isolieren sie und können später nachweisen, dass sie sich während dieser Isolation in einer Superposition befanden, einer Überlagerung unterschiedlicher Zustände.  

Je selbstverständlicher Forschenden das gelingt, umso wagemutiger werden sie. Sie setzen ihre Quantenobjekte immer chaotischeren Situationen aus, um zu sehen, wie lange sie die Quanteneigenschaften aufrechterhalten, bevor die Dekohärenz zuschlägt. Am Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) in Wien beispielsweise will ein Team um Markus Aspelmeyer immer größere Objekte in einen Quantenzustand versetzen. Mittlerweile gelingt ihnen das mit Glaskügelchen, die aus einer Milliarde Atomen bestehen. 

Einen anderen Weg sind nun Forschende des IQOQI am Standort Innsbruck gegangen. Ihr Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift "Science Advances". Das Team um Gerhard Kirchmair and Oriol Romero-Isart erschuf eine "heiße Schrödinger-Katze". Anstelle eines Haustiers experimentierte das Team mit einem Qubit, der Recheneinheit von Quantencomputern. Genauer gesagt brachte es ein Transmon-Qubit, einen supraleitenden schwingenden Schaltkreis, in einen quantenphysikalischen Überlagerungszustand.   

Minus 271,35 Grad Celsius – für Physiker ganz schön heiß

Heiß im alltäglichen Sinn war dieses Qubit nicht: Seine Temperatur lag 1,8 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Doch damit war es immerhin 60-mal wärmer als seine Umgebung, in der Quantenphysik ein ganz beträchtlicher Unterschied. Mit der Temperatur steigt die Gefahr, dass das Qubit durch Zusammenstöße oder Wärmestrahlung Informationen an die Umwelt abgibt. Damit wäre es gezwungen, Farbe zu bekennen und seine Superposition aufzugeben. In dieser Hinsicht sind sich eine lebende Katze mit einer Temperatur von 38 Grad Celsius und ein Qubit mit einer Temperatur von minus 271,35 Grad Celsius überraschend ähnlich. "Viele unserer Kollegen waren überrascht, als wir ihnen zum ersten Mal von unseren Ergebnissen erzählten, weil die gängige Annahme war, dass die Temperatur Quanteneffekte zerstört", sagt der beteiligte Forscher Thomas Agrenius.

Stolz sind die Forschenden vor allem, dass sie den Quantenzustand direkt aus unperfekten Anfangsbedingungen heraus erschufen. "Wir wollten wissen, ob diese Quanteneffekte auch erzeugt werden können, wenn man nicht vom 'kalten' Grundzustand ausgeht", sagt Kirchmair. Das Team ging daher nicht den gängigen Weg. Der sieht vor, das Qubit zunächst völlig zu isolieren, damit es in Ruhe seine Quanteneigenschaften entfalten kann, um es anschließend schrittweise der Umwelt auszusetzen beziehungsweise seine Temperatur zu erhöhen. Stattdessen erzeugten sie den Überlagerungszustand, als das Qubit bereits "heiß" war.   

Vergleichen lässt sich das mit der Herstellung von Eiscreme. Normalerweise kühlt man die Masse zunächst auf unter null Grad Celsius herab, um die gewünschte Konsistenz zu erreichen. Setzt man das Eis anschließend steigenden Temperaturen aus, kann man zusehen, wie es immer schneller zerfließt. In Kirchmairs Experiment entfiel jedoch der Aufenthalt in der Kühlung. Sein Team schuf 'Quanteneis', ohne es einzufrieren.

Durch solche Experimente testen Physiker die Grenzen der zerstörerischen Dekohärenz, lernen sie einzuhegen oder mit ihr zu leben. Ihr Ziel ist, die wundersamen Eigenschaften der Quantenwelt im Alltag nutzbar zu machen, also genau jenen Brückenschlag zu schaffen, den Schrödinger in seinem Gedankenexperiment als absurd diskreditieren wollte. Angestrebt werden nicht nur Quantencomputer, die andersartiges Rechnen ermöglichen, sondern auch Quantensensoren, die viel feiner messen als klassische Sensoren. 

Doch jede Quantentechnologie steht vor einem Dilemma: Sie muss die Quanten einerseits schützen, sie andererseits aber mit der Umwelt in Kontakt bringen, um ihre Eigenschaften praktisch nutzen zu können. Es ist eine wacklige Balance aus völliger Ruhe und gelegentlichen Störungen, die Quantensysteme aushalten müssen, ohne sofort der Dekohärenz zum Opfer zu fallen. Bei Quantencomputern dient der Großteil des Aufbaus nur dem Zweck, die Prozessoren von der Umwelt abzuschirmen. Und selbst das gelingt meist nur für den Bruchteil einer Sekunde. Die Anfälligkeit der Qubits ist eines der größten Hemmnisse auf dem Weg zu einem leistungsfähigen Quantencomputer. Um ihn zu realisieren, braucht es viele kleine Fortschritte – wie jenen, der nun in Innsbruck gelungen ist. 

Letztlich könnte Schrödingers Vision Realität werden: dass die wundersamen Eigenschaften der Quanten nicht auf den Mikrokosmos beschränkt bleiben, sondern unseren Alltag prägen. Allerdings ohne dass eine Katze zu Schaden kommt.