Das Quetschen von Schrödingers Katze könnte die Quantensensitivität erhöhen

Einer der kontraintuitivsten Aspekte der Quantenphysik ist die Idee, dass ein Quantensystem im Gegensatz zu einem physikalischen System, das der Alltagsphysik des makroskopischen Universums unterliegt, in zwei Zuständen gleichzeitig existieren kann, selbst wenn diese Zustände widersprüchlich sind.

Dies nennt man Superposition, und die Zustände werden dann als überlappende Wellen beschrieben. Die Superposition wird durch konstruktive oder destruktive Interferenz aufgelöst, die entsteht, wenn die Spitzen und Täler verschiedener Wellen aufeinandertreffen und sich gegenseitig verstärken oder aufheben, wodurch eine einzelne Welle entsteht.

Ein perfektes Beispiel hierfür ist das Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“, in dem eine hypothetische Katze, die vor Beobachtern abgeschirmt ist, sowohl tot als auch lebendig ist, bis eine Messung durchgeführt wird und die Überlagerung zusammenbricht, wodurch sich ein einzelner Zustand auflöst.

So verrückt das Konzept einer Überlagerung widersprüchlicher Zustände auch klingen mag, dieses Prinzip und andere Formen der „Quanten-Verrücktheit“ stehen im Mittelpunkt einer technologischen Revolution, zu der auch Quantensensoren, die die grundlegenden Eigenschaften von Photonen für Messungen nutzen, und Quantencomputer gehören.

In Quantencomputern beispielsweise, den Grundeinheiten herkömmlicher Computer, werden „Bits“ durch „Quantenbits“ oder „Qubits“ ersetzt, die in einer Überlagerung mehrerer widersprüchlicher Zustände gleichzeitig existieren können, also in einem Schrödinger-Katzen-Zustand.

A neues Papier veröffentlicht in Physik Offen von Ranjit Singh, einem unabhängigen Forscher aus Moskau, Russland, und Alexander E. Teretenkov vom Steklov-Mathematischen Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften beschreibt im Detail, wie die Empfindlichkeit der Quantentechnologie durch die Verwendung von Schrödinger-Katzen-Zuständen verbessert werden kann, die „gequetscht“ werden, um die Menge an Rauschen – das heißt zufällige, unvorhersehbare und unerwünschte Signale – zu reduzieren, die die Messungen beeinflussen.

„Gequetschte Schrödinger-Katzen-Zustände können möglicherweise verwendet werden, um kleine Störungen zu identifizieren, wenn sie an das Störungsmedium gekoppelt sind. Eine solche Präzession kann im Vergleich zu Schrödinger-Katzen-Zuständen ohne Quetschung vorteilhafter sein“, sagt Singh.

„Unsere theoretische Forschung eröffnet potenzielle Wege, die Anzahl der Photonen im Schrödinger-Katzen-Zustand zu erhöhen, die Quantensensitivität zu steigern und die im Schrödinger-Katzen-Zustand vorhandene Interferenz durch den Einsatz optischer parametrischer Verarbeitung zu bewahren.“

Er fügt hinzu, dass es schwierig sei, die Anzahl der Photonen im Schrödinger-Katzen-Zustand zu erhöhen, aber er und Teretenkov hätten den Mechanismus eines optischen parametrischen Prozesses gefunden, der genau dies bewerkstelligt. Singh erklärt, dass der verwendete parametrische Prozess auch die Interferenzparameter bewahrt und das „Rauschen“ in einem Quantensystem „herunterdrückt“. Die Reduzierung des Rauschens bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Photonen erhöht die Quantenempfindlichkeit.

„Die Forschung zur Verwendung gequetschter Schrödinger-Katzenzustände ist recht interessant. Sie hat begonnen, sich rasch zu entwickeln und ist in vielen Aspekten der modernen Quantenphysik und Quantentechnologien vielversprechend“, fügt er hinzu. „Gequetschte Zustände werden in der Quantenoptik häufig verwendet, und Schrödinger-Katzenzustände ziehen derzeit aktiv die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Technikern auf sich.“

Diese Forschung hat nicht nur theoretische Auswirkungen, sondern kann auch zu konkreten Anwendungen in wichtigen Quantentechnologien führen, insbesondere in Quantensensoren. „Unsere Forschung liegt an der Schnittstelle wichtiger Trends der modernen Quantenphysik“, schließt Singh.