Die schwerste Schrödinger-Katze wurde erreicht, indem ein kleiner Kristall in eine Überlagerung zweier Schwingungszustände gebracht wurde

Auch wenn Sie kein Quantenphysiker sind, haben Sie wahrscheinlich schon von Schrödingers berühmter Katze gehört. Erwin Schrödinger kam 1935 in einem Gedankenexperiment auf Katzen, die gleichzeitig lebendig und tot sein konnten. Der scheinbare Widerspruch – schließlich sehen wir im Alltag nur Katzen entweder lebend oder tot – hat Wissenschaftler zu einem Versuch veranlasst um die Situationen zu verstehen Ähnlich in vitro. Bisher gelang ihnen dies, indem sie beispielsweise Atome oder Moleküle in quantenmechanischen Überlagerungszuständen des gleichzeitigen Vorhandenseins an zwei Orten einsetzen.

An der ETH hat ein Forscherteam unter der Leitung von Yiwen Chu, Professorin am Labor für Festkörperphysik, eine dramatisch schwerere Schrödinger-Katze geschaffen, indem sie einen kleinen Kristall in eine Überlagerung von zwei Schwingungszuständen gebracht hat. Die Ergebnisse wurden diese Woche im Fachblatt veröffentlicht Wissenschaftenkönnte zu leistungsfähigeren Qubits führen und das Geheimnis lüften, warum Quantenüberlagerungen in der makroskopischen Welt nicht beobachtet werden.

Katze in einer Kiste

In Schrödingers ursprünglichem Gedankenexperiment ist eine Katze in einer Metallbox mit radioaktivem Material, einem Geigerzähler und einem Giftfläschchen eingeschlossen. In einem bestimmten Zeitrahmen – beispielsweise einer Stunde – kann ein Atom in Materie mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durch einen quantenmechanischen Prozess zerfallen oder nicht, und die Zerfallsprodukte können einen Geigerzähler zum Explodieren bringen und einen Mechanismus auslösen, der das Fläschchen zerschmettert das Gift, das schließlich die Katze töten wird.

Da ein außenstehender Beobachter nicht wissen kann, ob das Atom tatsächlich zerfallen ist, weiß er auch nicht, ob die Katze lebt oder tot ist – nach der Quantenmechanik, die den Zerfall eines Atoms regelt, muss es sich in einem Lebend/Tot-Überlagerungszustand befinden. (An Schrödingers Idee erinnert eine lebensgroße Katzenfigur vor seinem ehemaligen Wohnhaus an der Huttenstrasse 9 in Zürich.)

„Natürlich können wir im Labor ein solches Experiment nicht mit einer echten Katze durchführen, die mehrere Kilo wiegt“, sagt Zhou. Stattdessen gelang es ihr und ihren Kollegen, mithilfe eines schwingenden Kristalls, der die Katze darstellt, mit einem supraleitenden Schaltkreis, der das ursprüngliche Atom darstellt, einen sogenannten Katzenzustand zu erzeugen. Diese Schaltung ist im Wesentlichen ein Qubit oder Qubit, das die logischen Zustände „0“ oder „1“ oder eine Überlagerung beider Zustände „0 + 1“ annehmen kann.

Die Verbindung zwischen dem Qubit und der Kristall-„Katze“ ist kein Geigerzähler und Gift, sondern eine Schicht aus piezoelektrischem Material, das ein elektrisches Feld erzeugt, wenn der Kristall beim Schwingen seine Form ändert. Dieses elektrische Feld kann mit dem elektrischen Feld des Qubits gekoppelt werden und somit der Überlagerungszustand des Qubits auf den Kristall übertragen werden.

Gleichzeitige Vibrationen in entgegengesetzte Richtungen

Dadurch kann der Kristall nun in zwei Richtungen gleichzeitig schwingen – zum Beispiel nach oben/unten und unten/oben. Diese beiden Richtungen repräsentieren den „lebendigen“ oder „toten“ Zustand der Katze. „Durch die Überlagerung der beiden Schwingungszustände im Kristall haben wir quasi eine 16 Mikrogramm schwere Schrödinger-Katze geschaffen“, erklärt Zhou. Das ist ungefähr die Masse eines feinen Sandkorns und bei weitem nicht so massiv wie eine Katze, aber es ist immer noch milliardenfach schwerer als ein Atom oder Molekül, was es zur bisher dicksten Quantenkatze macht.

Damit Wackeln echte Katzenzustände sind, ist es wichtig, dass sie mit bloßem Auge unterschieden werden können. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen den Zuständen „oben“ und „unten“ größer sein muss als alle thermischen oder quantitativen Schwankungen der Positionen der Atome innerhalb des Kristalls. Zhou und Kollegen untersuchten dies, indem sie die räumliche Trennung der beiden Zustände mit einem supraleitenden Qubit maßen. Obwohl der gemessene Abstand nur ein Milliardstel eines Milliardstel Meters betrug – tatsächlich kleiner als ein Atom –, war er groß genug, um die Zustände klar zu unterscheiden.

Kleine Störungen bei Katzenfällen messen

In Zukunft möchte Chu die Blockgrenzen seiner Kristallkatzen noch weiter verschieben. „Das ist interessant, weil wir dadurch besser verstehen können, warum Quanteneffekte in der makroskopischen Welt echter Katzen verschwinden“, sagt sie.

Neben diesem eher akademischen Interesse gibt es auch potenzielle Anwendungen in Quantentechnologien. Beispielsweise können in Qubits gespeicherte Quanteninformationen robuster gemacht werden, indem Kat-Zustände verwendet werden, die aus einer großen Anzahl von Atomen in einem Kristall bestehen, anstatt sich auf einzelne Atome oder Ionen zu verlassen, wie dies derzeit praktiziert wird. Auch die extreme Empfindlichkeit massiver Objekte in Überlagerungszuständen gegenüber externem Rauschen kann ausgenutzt werden, um präzise Messungen kleiner Störungen wie Gravitationswellen durchzuführen oder dunkle Materie nachzuweisen.