Schrödingers Katze wird noch seltsamer: Oxford-Physiker erzeugen programmierbare Quantenüberlagerungen

Was macht diese Quantenkatze anders als alle ihre Vorgänger?

Das Gedankenexperiment ist legendär: Eine Katze, die zugleich lebendig und tot ist, solange niemand hinsieht. Erwin Schrödingers makabre Illustration von Quantenüberlagerungen hat Generationen von Physikern und Laien gleichermaßen fasziniert. Im Labor gehören kontrollierte Überlagerungen längst zum Handwerkszeug der Quantenoptiker. Was ein Team der Universität Oxford jetzt in der Zeitschrift Physical Review X präsentiert, stellt diese Selbstverständlichkeit dennoch auf den Kopf. Statt die Katze aus zwei relativ gewöhnlichen Bewegungszuständen - sogenannten kohärenten Zuständen, die der klassischen Physik noch am nächsten kommen - zusammenzusetzen, konstruierten sie eine Überlagerung aus Komponenten, die für sich genommen bereits zutiefst quantenmechanisch sind.

„Dieser Ansatz gab uns ein Werkzeug, um die Quantenüberlagerung in nahezu jede gewünschte Form zu bringen“, erklärt Dr. Sebastian Saner, der Hauptautor der Studie. Das Ergebnis ist nicht einfach eine weitere Katze, sondern eine neue Familie von Quantenzuständen, deren Eigenschaften sich programmieren lassen. Die Implikationen reichen von robusteren Quantencomputern bis zur Frage, wo die Grenze zwischen Quanten- und Alltagswelt tatsächlich verläuft.

Wie baut man Überlagerungen aus bereits quantenhaften Bausteinen?

Um den Unterschied zu verstehen, hilft ein Blick auf die konventionelle Methode. Normale Schrödinger-Katzen-Zustände in einem harmonischen Oszillator - etwa einem schwingenden Ion - sind Überlagerungen zweier kohärenter Zustände. Diese kohärenten Zustände verhalten sich mathematisch wie ein klassisches Pendel, das hin- und herschwingt; sie besitzen die geringstmögliche Unschärfe, die die Quantenmechanik erlaubt. Der Witz an Saners Experiment ist, dass die Bausteine selbst keine kohärenten Zustände mehr sind. Stattdessen verwendeten die Forscher gequetschte Zustände, in denen die quantenmechanische Unschärfe ungleich verteilt ist: Die Unsicherheit in einer physikalischen Größe wird auf Kosten einer anderen reduziert - ein Kunststück, das es in der klassischen Physik nicht gibt.

Praktisch umgesetzt wurde dies mit einem einzelnen gefangenen Ion. Ein solches Ion vereint zwei Quantensysteme in einer Plattform: Seine internen elektronischen Zustände fungieren als Qubit, während seine Bewegung im elektromagnetischen Fallenpotenzial als harmonischer Oszillator wirkt. Durch sorgfältig kalibrierte Laserpulse koppelten die Forscher den inneren Zustand des Ions an verschiedene Bewegungszustände. Eine entscheidende Rolle spielte eine Messung mitten im Experiment: Eine Quantenmessung am inneren Zustand zwang die Bewegung des Ions, in die gewünschte Überlagerung der nichtklassischen Komponenten zu kollabieren.

Wigner-Negativität: Woran erkennt man echte Quanteneffekte?

Dass die Oxforder Physiker tatsächlich etwas Neues geschaffen hatten, bewiesen sie durch die Rekonstruktion der Quantenzustände mittels Tomographie. Die entscheidende Signatur war das Auftreten von Wigner-Negativität in den Interferenzmustern. Die Wigner-Funktion ist eine quasiklassische Darstellung von Quantenzuständen im Phasenraum. Während klassische Wahrscheinlichkeitsverteilungen stets positiv sind, können Quantenzustände in bestimmten Regionen negative Werte annehmen. Diese Negativität gilt als unzweideutiger Beleg dafür, dass der Zustand nicht als gewöhnliches klassisches Gemisch beschrieben werden kann.

Die rekonstruierte Wigner-Funktion zeigte eine sechszählige Rotationssymmetrie und ausgeprägte negative Bereiche - ein Fingerabdruck der nichtklassischen Interferenz zwischen den gequetschten Komponenten. Indem das Team experimentelle Parameter wie die Stärke der Laserkopplung oder die Dauer der Wechselwirkung variierte, konnte es die relative Größe, Orientierung und den Abstand der Komponenten innerhalb der Überlagerung einstellen. Die programmierbare Kontrolle über diese exotischen Zustände ist das, was die Arbeit von bisherigen Demonstrationen abhebt.

Warum interessiert das die Quantencomputer-Ingenieure?

Heutige Quantencomputer arbeiten ganz überwiegend mit Qubits - Zwei-Zustands-Systemen, die 0 und 1 gleichzeitig repräsentieren können. Doch dieser binäre Ansatz stößt an Grenzen, nicht zuletzt durch die notorische Fehleranfälligkeit der fragilen Quanteninformation. Harmonische Oszillatoren bieten eine Alternative: Sie besitzen unendlich viele Energieniveaus und können Information in diesen reicheren Zustandsräumen kodieren. Man spricht von Bosonic-Codes.

Die neuartigen, aus nichtklassischen Komponenten aufgebauten Katzen-Zustände sind für solche Kodierungen besonders interessant. Theoretische Arbeiten deuten darauf hin, dass sie robuster gegenüber bestimmten Rauschquellen sein könnten und einfachere, effizientere Fehlerkorrekturstrategien erlauben. Dr. Raghavendra Srinivas, der die Arbeit betreute, dämpft die Erwartungen dennoch: „Wir glauben, dass wir noch an der Oberfläche dessen kratzen, was möglich ist - sowohl für praktische Anwendungen als auch für das Verständnis dieser Zustände auf einer fundamentaleren Ebene.“

Was bleibt offen - und was kommt als Nächstes?

Das Experiment liefert keine fertige Technologie, sondern eine Plattform. Die Oxforder Gruppe arbeitet nun mit Theoretikern zusammen, um präzise zu quantifizieren, „wie quantenmechanisch“ die neuen Zustände eigentlich sind. Diese scheinbar esoterische Frage berührt einen der tiefsten Konflikte der modernen Physik: den Übergang von der kohärenten Quantenwelt, in der Überlagerungen existieren, zur scheinbar eindeutigen, klassischen Welt unserer Erfahrung. In diesem Niemandsland zwischen formaler Beschreibung und messbarer Realität bewegen sich Saner, Srinivas und ihre Kollegen.

Gleichzeitig sind die Herausforderungen beträchtlich. Die präzise Kontrolle über die Bewegungszustände eines einzelnen Ions ist ein Meisterwerk der Laborphysik, aber für skalierbare Quantencomputer müssten solche Operationen auf viele Ionen oder andere Oszillator-Plattformen übertragen werden. Auch die Lebensdauer der erzeugten Zustände - die Dekohärenzzeit - muss verlängert werden, wenn sie tatsächlich Rechenoperationen überstehen sollen. Und schließlich gilt es, die statistischen Assoziationen aus der Studie in kausale Mechanismen zu überführen. Genau hier setzt das Oxforder Team bereits an: mit dem Ziel, die skulpturale Kontrolle über das Quantenreich weiter zu verfeinern, bis die Grenzen des Unmöglichen verschwimmen.

Quellen:

• Fusion reactors could be monitored for covert plutonium production (Phys.org)
• The Ghosts of the Mediterranean: What a rare great white shark sighting could reveal about a changing ocean (Phys.org)
• Oxford physicists just made Schrödinger’s cat even stranger (ScienceDaily - All)
• The Physics of Luck (Psychology Today - Articles)
• Low Plasma Vitamin C Linked to Lower Gray Matter and Neural Network Gaps (Neuroscience News)
• Quantum friction causes light to slow down nanoworld movements (Phys.org)

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