Schwerste Schrödinger-Katze, die durch Versetzen eines kleinen Kristalls in eine Überlagerung zweier Schwingungszustände erreicht wird

Auch wenn Sie kein Quantenphysiker sind, haben Sie bestimmt schon einmal von Schrödingers berühmter Katze gehört. Die Katze, die gleichzeitig lebendig und tot sein kann, hat Erwin Schrödinger 1935 in einem Gedankenexperiment erfunden. Der offensichtliche Widerspruch – schließlich sehen wir im Alltag immer nur lebende oder tote Katzen – hat Wissenschaftler dazu veranlasst versuchen Sie, analoge Situationen im Labor zu realisieren. Bisher gelang ihnen dies beispielsweise mit Atomen oder Molekülen in quantenmechanischen Überlagerungszuständen, in denen sie gleichzeitig an zwei Orten sind.

An der ETH hat ein Forscherteam um Yiwen Chu, Professor am Labor für Festkörperphysik, nun eine wesentlich schwerere Schrödinger-Katze geschaffen, indem es einen kleinen Kristall in eine Überlagerung zweier Schwingungszustände versetzt hat. Ihre Ergebnisse, die diese Woche im Fachblatt veröffentlicht wurden Wissenschaftkönnte zu robusteren Quantenbits führen und das Geheimnis lüften, warum Quantenüberlagerungen in der makroskopischen Welt nicht beobachtet werden.

Katze in einer Kiste

In Schrödingers originellem Gedankenexperiment wird eine Katze zusammen mit einer radioaktiven Substanz, einem Geigerzähler und einem Giftfläschchen in einer Metallbox eingesperrt. In einem bestimmten Zeitrahmen – sagen wir einer Stunde – kann ein Atom in der Substanz mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durch einen quantenmechanischen Prozess zerfallen oder nicht, und die Zerfallsprodukte können dazu führen, dass der Geigerzähler losgeht und einen Mechanismus auslöst, der zerbricht die Flasche mit dem Gift, das schließlich die Katze töten würde.

Da ein außenstehender Beobachter nicht wissen kann, ob ein Atom tatsächlich zerfallen ist, weiß er oder sie auch nicht, ob die Katze lebt oder tot ist – nach der Quantenmechanik, die den Zerfall des Atoms regelt, müsste sie in einem lebendig/tot sein Überlagerungszustand. (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 mehrere Kilogramm schweren Katze durchführen“, sagt Chu. Stattdessen gelang es ihr und ihren Mitarbeitern, 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 Quantenbit 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, die 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 kann der Überlagerungszustand des Qubits auf den Kristall übertragen werden.

Gleichzeitige Schwingungen in entgegengesetzte Richtungen

Dadurch kann der Kristall nun in zwei Richtungen gleichzeitig schwingen – beispielsweise nach oben/unten und nach unten/oben. Diese beiden Richtungen repräsentieren die „lebendigen“ oder „toten“ Zustände der Katze. „Indem wir die beiden Schwingungszustände des Kristalls überlagern, haben wir quasi eine 16 Mikrogramm schwere Schrödinger-Katze geschaffen“, erklärt Chu. Das ist ungefähr die Masse eines feinen Sandkorns und bei weitem nicht die einer Katze, aber immer noch mehrere Milliarden Mal schwerer als ein Atom oder Molekül, was sie zur bisher dicksten Quantenkatze macht.

Damit die Schwingungszustände echte Kat-Zustände sind, ist es wichtig, dass sie makroskopisch unterscheidbar sind. Dies bedeutet, dass die Trennung der Zustände „oben“ und „unten“ größer sein sollte als alle thermischen oder Quantenfluktuationen der Positionen der Atome innerhalb des Kristalls. Chu und ihre Kollegen überprüften dies, indem sie mit dem supraleitenden Qubit die räumliche Trennung der beiden Zustände 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.

Messung kleiner Störungen mit Katzenzuständen

In Zukunft möchte Chu die Massegrenzen ihrer Kristallkatzen noch weiter verschieben. „Das ist interessant, weil es uns ermöglichen wird, den Grund für das Verschwinden von Quanteneffekten in der makroskopischen Welt echter Katzen besser zu verstehen“, sagt sie.

Über dieses eher akademische Interesse hinaus gibt es auch potenzielle Anwendungen in Quantentechnologien. Beispielsweise könnten in Qubits gespeicherte Quanteninformationen robuster gemacht werden, indem Katzenzustände 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 der Fall ist. Auch die extreme Empfindlichkeit massiver Objekte in Überlagerungszuständen gegenüber externem Rauschen könnte für präzise Messungen winziger Störungen wie Gravitationswellen oder zum Nachweis dunkler Materie genutzt werden.