Erfolge in der Schrödingerschen Katzenzucht

16.08.2007

Forscher zeigen, wie sich das bekannte Gedankenexperiment in die experimentelle Praxis übersetzen lässt

Dass sich das deutsche Wort "Gedankenexperiment" in die englische Sprache einschleichen konnte, hat es nicht unwesentlich dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger zu verdanken. Seine einige der Grundlagen der Quantentheorie illustrierende, ständig vom Tod durch Giftgas bedrohte Katze ist mittlerweile zum Klassiker geworden, die sogar zum Party-Gesprächsstoff taugt. Das Gedankenexperiment versetzt das arme Tier in eine Überlagerung zweier Zustände: Weil der vom rein statistischen Kernzerfall ausgelöste Giftmord nicht vorhersagbar ist, ist die Katze gleichzeitig tot und lebendig. Erst, wenn ein Beobachter die Katzenkiste öffnet, fallen die überlagerten Zustände in sich zusammen (man spricht von Dekohärenz). Das Ergebnis: der Beobachter sieht eine lebende Katze. Oder eine Leiche.

Tierschützer müssen sich aber keine Sorgen machen - die Wissenschaftler sind sich darüber einig, dass die Katze samt der sie umgebenden Luft ein viel zu komplexes, makroskopisches System sind, als dass sich dieser Versuch sinnvoll 1:1 in die Praxis umsetzen ließe. Wenn Forscher trotzdem Schrödinger-Katzen konstruieren (vgl. Stabile Schrödinger-Katzen), dann nutzen sie dabei quantenphysikalische Prozesse, die ihnen besser zur Verfügung stehen.

Spannend wird das (im Sinne der möglichen experimentellen Überprüfung der quantentheoretischen Grundlagen), wenn es gelingt, tatsächlich klassische oder zumindest beinahe-klassische Zustände zu überlagern. Dabei ist jetzt ein internationales Forscherteam um den Physiker Alexei Ourjoumtsev ein Stück vorangekommen: Im Wissenschaftsmagazin Nature beschreiben die Wissenschaftler, wie es ihnen theoretisch und experimentell gelungen ist, Schrödinger-Kätzchen aus Photonen-Zuständen zusammenzusetzen.

Das Setup des Experiments der Forscher (Foto: Alexei Ourjoumtsev)

Das ist nicht der erste erfolgreiche derartige Versuch. Bisher hatte es sich aber als sehr kompliziert erwiesen, die virtuellen Tiere auf eine gewisse Mindestgröße hin zu züchten, die es erlaubt, dann auch tatsächlich damit zu arbeiten. Die meisten Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung erfordern zudem Schrödinger-Kätzchen, bei denen sich die überlagerten Zustände um weniger als ein Prozent überlappen. Um diese Parameter zu erreichen, nutzten die Forscher um Ourjoumtsev ultrakurze Lichtimpulse von 180 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) Dauer. Diese ermöglichen es ihnen, Zustände von sehr gut bekannter "Teilchen"-Zahl herzustellen, so genannte Fock-Zustände. Ein Strahlenteiler teilt die Zustände im Verhältnis 50:50.

Zur Herstellung und Analyse der Quantenzustände dienen so genannte homodyne Detektoren: Zunächst testet man mit einem der Detektoren, ob der Betrag des Moments nahe genug bei Null liegt - wenn ja, geht man davon aus, dass sich die andere Hälfte des geteilten Strahls in einem Überlagerungszustand befindet. Die Schrödinger-Katzen-Eigenschaften kann man nun im zweiten Dektektor testen. Das Verfahren kommt nahe an die theoretisch vorhergesagte Güte heran, obwohl es sehr empfindlich auf Streulicht reagiert. Zudem ist auch die Qualität der Laserimpulse nie perfekt.

Interessanterweise verbesserte sich aber die mittlere Qualität der Schrödingerkatzen, wenn sie aus einer steigenden Anzahl von Photonen zusammengesetzt wurden. Die Wissenschaftler versprechen sich für die Zukunft, dass sich die Photonenanzahl relativ leicht weiter erhöhen lässt - zu einer beliebig großen Schrödinger-Katze.

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