Schrödingers Katze wird flexibler
Schrödingers Katze lebt jetzt auch bei Wärme: Forschende erzeugen Quantenüberlagerungen bei höheren Temperaturen.
In Erwin Schrödingers Gedankenexperiment ist es eine Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist.
Foto: Universität Innsbruck/Harald Ritsch
Forschende aus Innsbruck haben erstmals sogenannte heiße Schrödinger-Katzen-Zustände in einem supraleitenden Mikrowellenresonator erzeugt. Damit konnten sie zeigen, dass Quantenüberlagerungen nicht zwingend auf extrem niedrige Temperaturen angewiesen sind. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Quantenphänomene auch unter weniger idealen Bedingungen nutzbar sind – ein bedeutender Schritt in Richtung alltagstauglicher Quantentechnologie.
Inhaltsverzeichnis
Schrödingers Katze: Ein klassisches Gedankenexperiment
Erwin Schrödinger stellte sich 1935 in einem berühmten Gedankenexperiment eine Katze vor, die gleichzeitig lebendig und tot ist – je nachdem, ob ein quantenmechanischer Zerfall stattfindet oder nicht. Dieses Paradox veranschaulicht die Idee der Quantenüberlagerung: Ein Teilchen kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, bis es gemessen wird.
Im Labor übertragen Forschende dieses Konzept auf physikalische Systeme wie Atome, Moleküle oder elektromagnetische Resonatoren. Dort beobachten sie überlagerte Zustände – also Zustände, in denen sich das System gleichzeitig in zwei verschiedenen Konfigurationen befindet. Diese Zustände sind jedoch äußerst empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere gegenüber Wärme.
Neue Wege in der Quantenphysik
Ein Team um Gerhard Kirchmair und Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck hat nun gezeigt, dass sich Schrödinger-Katzen-Zustände auch bei höheren Temperaturen erzeugen lassen. In ihrer aktuellen Studie, veröffentlicht in Science Advances, berichten sie über die Erzeugung dieser Zustände in einem supraleitenden Mikrowellenresonator – bei bis zu 1,8 Kelvin. Das entspricht etwa minus 271 Grad Celsius und ist für Quantenverhältnisse vergleichsweise „heiß“.
„Auch Schrödinger ging in seinem Gedankenexperiment von einer lebendigen, also ‚heißen‘ Katze aus“, sagt Kirchmair. Dieser Gedanke inspirierte das Team dazu, den Versuch zu wagen, Schrödingerkatzen-Zustände unter wärmeren Bedingungen zu erzeugen – ein Ansatz, der bislang als wenig erfolgversprechend galt.
Quantenüberlagerung aus dem thermischen Zustand
Bisherige Experimente erforderten eine Abkühlung auf den Grundzustand – also auf den Zustand mit der geringstmöglichen Energie. Denn thermische Energie, also Wärme, führt in der Regel dazu, dass sich die Überlagerungszustände auflösen. Sie gelten daher als besonders empfindlich.
Innsbrucker Physiker:innen haben dieses Dogma nun hinterfragt. Sie erzeugten sogenannte heiße Schrödinger-Katzen-Zustände, also Überlagerungen aus thermisch angeregten Zuständen. Das bedeutet: Der Zustand war bereits durch Wärme aktiviert – und trotzdem ließ sich eine stabile Quantenüberlagerung herstellen.
Die Experimente fanden in einem supraleitenden Mikrowellenresonator statt, gesteuert durch ein sogenanntes Transmon-Qubit. Dieser Baustein aus der Quanteninformationstechnik ermöglicht die Kontrolle über den Quantenzustand des Systems.
Zwei Protokolle führen zum Ziel
Die Forschenden nutzten zwei bereits etablierte Protokolle zur Erzeugung von Katzenzuständen. Diese Protokolle wurden ursprünglich für stark abgekühlte Systeme entwickelt. Durch gezielte Anpassungen funktionierten sie nun auch bei deutlich höheren Temperaturen.
„Es stellte sich heraus, dass angepasste Protokolle auch bei höheren Temperaturen funktionieren und unterschiedliche Quanteninterferenzen erzeugen“, erklärt Oriol Romero-Isart. Dies eröffnet neue Wege, insbesondere für Systeme wie nanomechanische Oszillatoren, bei denen eine extreme Abkühlung kaum praktikabel ist.
Quantenphysik trotzt der Hitze
Dass Quanteneffekte nicht zwingend der Kälte bedürfen, war für viele überraschend. „Viele unserer Kollegen waren überrascht, als wir ihnen zum ersten Mal von unseren Ergebnissen erzählten, denn normalerweise betrachten wir die Temperatur als etwas, das Quanteneffekte zerstört“, berichtet Thomas Agrenius, der an der theoretischen Ausarbeitung beteiligt war.
Doch die Messergebnisse sprechen eine klare Sprache: Auch unter wärmeren Bedingungen bleibt die charakteristische Quanteninterferenz bestehen. Das Team zeigte, dass gemischte Quantenzustände mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden können – ein wichtiger Schritt für robuste Quantenanwendungen.
Bedeutung für zukünftige Quantentechnologien
Die Studie könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantentechnologien haben. Bislang galt: Wer mit Quanten arbeiten will, muss kühlen – und das ist aufwendig und teuer. Die Innsbrucker Ergebnisse deuten darauf hin, dass es auch anders gehen könnte.
„Unsere Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Quantenphänomene auch in weniger idealen, wärmeren Umgebungen zu beobachten und zu nutzen“, betont Kirchmair. Entscheidend sei nicht die Temperatur, sondern die Fähigkeit, die relevanten Wechselwirkungen im System zu kontrollieren.
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