21.04.2023

Fette Quanten-Katzen

Überlagerte Schwingungszustände für die bislang schwerste Schrödinger-​Katze.

Man muss kein Quantenphysiker sein, um schon einmal von Schrödingers berühmter Katze gehört zu haben. Erwin Schrödinger erfand die Katze, die zugleich lebendig und tot sein kann, in einem Gedanken­experiment im Jahr 1935. Der offensichtliche Widerspruch hat Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler dazu getrieben zu versuchen, analoge Situationen im Labor nachzustellen. Bis jetzt haben sie dies beispielsweise mit Atomen oder Molekülen in quanten­mechanischen Überlagerungs­zuständen geschafft, bei denen sich die Teilchen an zwei Orten zugleich befinden. An der ETH Zürich hat nun ein Forschungsteam unter der Leitung von Yiwen Chu einen kleinen Kristall in eine Überlagerung zweier Schwingungs­zustände versetzt und somit eine bedeutend schwerere Schrödinger-​Katze hergestellt. Die Ergebnisse des Teams könnten zu robusteren Quanten-​Bits führen und Licht auf das Rätsel werfen, warum Quanten­überlagerungen nicht in der makroskopischen Welt beobachtet werden.

Abb.: Illustration schwererer Schrödinger-​Katzen, die gleichzeitig lebendig...
Abb.: Illustration schwererer Schrödinger-​Katzen, die gleichzeitig lebendig (oben) und tot (unten) sein können. (Bild: ETHZ)

In Schrödingers ursprünglichem Gedanken­experiment ist eine Katze zusammen mit einer radioaktiven Substanz, einem Geigerzähler und einem Fläschchen Gift in einer Metallkiste eingesperrt. In einem bestimmten Zeitraum – zum Beispiel einer Stunde – kann ein Atom in der Substanz durch einen quanten­mechanischen Prozess zerfallen oder auch nicht. Die Zerfallsprodukte würden den Geigerzähler auslösen und über einen Mechanismus das Gift­fläschchen zertrümmern, wodurch letztendlich die Katze getötet würde. Da ein Beobachter von außen nicht wissen kann, ob das Atom tatsächlich zerfallen ist, weiß er oder sie auch nicht, ob die Katze lebendig oder tot ist – nach der Quantenmechanik, die den Zerfall des Atoms bestimmt, sollte sie sich in einem lebendig/tot-​Überlagerungs­zustand befinden. Vor Schrödingers ehemaligem Wohnhaus in der Huttentstraße 9 in Zürich erinnert eine lebensgroße Katzenfigur an diese Idee.

„Natürlich können wir im Labor kein solches Experiment mit einer mehrere Kilogramm schweren, echten Katze realisieren“, sagt Chu. Stattdessen ist es ihr und ihren Mitarbeitenden gelungen, einen Katzen-​Zustand herzustellen mit einem schwingenden Kristall, der die Katze darstellt, und einem supra­leitenden Schaltkreis, der die Rolle des ursprünglichen Atoms übernimmt. Der Schaltkreis ist im Wesentlichen ein Quanten-​Bit, das die logischen Zustände 0 oder 1 annehmen kann oder eine Über­lagerung beider Zustände. 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 während der Schwingungen seine Form ändert. Dieses elektrische Feld kann an das elektrische Feld des Qubits gekoppelt werden, wodurch der Überlagerungs­zustand des Qubits auf den Kristall übertragen werden kann.

Das führt dazu, dass der Kristall nun gleichzeitig in zwei Richtungen schwingen kann. Diese beiden Richtungen stehen für die Zustände „lebendig“ oder „tot“ der Katze. „Indem wir die zwei Schwingungs­zustände des Kristalls in eine Überlagerung versetzt haben, haben wir effektiv eine Schrödinger-​Katze hergestellt, die 16 Mikrogramm wiegt“, erklärt Chu. Das ist in etwa die Masse eines feinen Sandkorns und weit entfernt von der einer Katze, aber dennoch mehrere Milliarden Mal schwerer als ein Atom oder Molekül und damit die bislang fetteste Quanten-​Katze.

Damit die Schwingungs­zustände als wirkliche Katzen-​Zustände gelten können, ist es wichtig, dass sie makroskopisch unterscheidbar sind. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den „hoch“ und „runter“-​Zuständen größer sein sollte als thermische oder quanten­mechanische Fluk­tuationen der Positionen der Atome im Kristall. Chu und ihre Kolleginnen und Kollegen überprüften dies, indem sie den räumlichen Abstand der beiden Zustände mit Hilfe des Qubits massen. Obwohl der gemessene Abstand nur ein milliardstel Nanometer betrug und damit kleiner als ein Atom war, genügte er dennoch, um die Zustände deutlich voneinander zu unterscheiden.

In Zukunft möchte Chu das Massenlimit ihrer Kristall-​Katzen weiter nach oben schrauben. „Dies ist deshalb interessant, weil es uns erlaubt, die Gründe für das Verschwinden von Quanten­effekten in der makroskopischen Welt echter Katzen besser zu verstehen“, sagt sie. Über dieses eher akademische Interesse hinaus gibt es aber auch mögliche Anwendungen in Quanten­technologien. So könnte etwa in Qubits gespeicherte Quanten­information robuster gemacht werden, indem man anstelle der bislang verwendeten einzelnen Atome oder Ionen Katzen-​Zustände benutzt, die aus einer riesigen Zahl an Atomen in einem Kristall bestehen. Außerdem ließe sich die extreme Empfindlichkeit von schweren Objekten in Überlagerungs­zuständen gegenüber äußeren Einflüssen für genauere Messungen von kleinen Störungen, wie etwa Gravitationswellen, oder zum Nachweis von dunkler Materie nutzen.

ETHZ / JOL

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