Quanten: Die Stabilisierung der Unberührbaren

21.02.2015

Wie hält man etwas stabil, das man nicht anfassen, ja nicht einmal genau ansehen darf?

Die Verschränkung zweier Quantenzustände ist ein höchst eigenwilliges Phänomen. Zwei Teilchen, die ganz von selbst ihren Zustand verändern, wenn dem Partner etwas zustößt - das hat nicht nur Einstein zu schaffen gemacht. Dass es verschränkte Zustände gibt, daran zweifelt längst niemand mehr. In Quantencomputern dienen sie dazu, auf clevere Weise viele Werte gleichzeitig zu berechnen. In der Quantenkryptografie sichert die Verschränkung, dass Manipulationsversuche auf jeden Fall bemerkt werden.

Allerdings sind Quantenzustände grundsätzlich sehr fragil. Sie bleiben nur im Mikro-Bereich erhalten - anderenfalls würde das unseren Alltag wohl unnötig erschweren, müssten wir doch damit rechnen, mal eben durch einen Berg zu tunneln, statt über ihn hinweg zu fahren. Die geringste Störung von außen führt zur Dekohärenz - wie der Vorgang heißt, bei dem die Gesetze der klassischen Physik wieder ihre Gültigkeit bekommen. Selbst bloßes Hinsehen zerstören Superposition (die Überlagerung von Quantenzuständen) und Verschränkung bereits.

Erwin Schrödinger, einer der Begründer der Quantenphysik, baute darauf sein berühmtes Gedankenexperiment auf: Man stelle sich eine Katze in einer verschlossenen, nicht einsehbaren Kiste vor. Ebenfalls in der Kiste befindet sich eine Mord-Apparatur, die vom Zerfall eines radioaktiven Atoms gesteuert wird. Dieser Vorgang läuft komplett zufällig ab. Man kann zwar sagen, wie viele von 1000 Atomen binnen einer Stunde zerfallen werden. Doch es ist unmöglich, die restliche Lebenszeit für ein einzelnes Atom zu bestimmen. In welchem Zustand befindet sich die Katze?

Aus Sicht der Quantentheorie lautet die Antwort: In einer Überlagerung aus den beiden Zuständen "tot" und "lebendig". Aber wenn ein Beobachter die Kiste öffnet, führt er damit die Aufhebung der Überlagerung herbei: Abhängig vom Zustand des Atoms in der Mordmaschine geht die Katze entweder in die Zustände "lebend" oder "tot" über. Für die Anwendung quantenphysikalischer Phänomene ist diese Fragilität problematisch. Eine klassische Fehlerkorrektur setzt voraus, dass man den Fehler zunächst einmal bemerkt, damit man ihn korrigieren kann. Und damit er auffällt, muss man den Zustand genau beobachten. In der Quantenphysik sind an dieser Stelle aber schon Hopfen und Malz verloren...

Beschränkungen im supraleitenden Stromkreis

Im Wissenschaftsmagazin Science zeigt ein internationales Forscherteam nun eine Alternative, die gleich in zweierlei Richtung bemerkenswert ist. Zunächst setzen sie auf eine simple Grundidee: Beschränkt man das zu stabilisierende System derart, dass es nur in andere Quantenzustände umfallen kann, verhindert man dadurch schon einmal die Dekohärenz.

Das ist etwa damit vergleichbar, den Laufstil eines Betrunkenen zu stabilisieren, indem man ihn durch einen Gang schickt, dessen Wände kaum weiter voneinander entfernt sind als seine Schultern. Natürlich könnte er immer noch in den Knien einknicken und nach vorn oder hinten fallen, aber diese Zustandsänderung ist doch weitaus unwahrscheinlicher. Gegen das häufigere Schwanken nach links oder rechts ist er jedenfalls geschützt.

Aber wie lassen sich im Quantenregime derartige Wände konstruieren? Die Forscher haben ihr System dazu mit einer ganz bestimmten Interaktionsmöglichkeit mit der Umgebung ausgestattet: Es kann stets nur Photonenpaare abgeben. Normalerweise wäre diese Form der Energieabgabe (Dissipation) tödlich für den Quantenzustand, aber der Zwei-Photonen-Prozess bringt das System genau in eine zweite, ebenfalls nicht-klassische Lage. Der Betrunkene wird also derart angestupst, dass er mal an der linken, mal an der rechten Seite der Wand des engen Ganges lehnt.

Dabei kommt möglichst immer dann ein Schubser, wenn statistisch ein (für den Quantenzustand fataler) Verlust eines einzelnen Photons erwartet würde. Statt den Betrunkenen selbst torkeln zu lassen, hält man ihn also mit gezielten Stößen in der Geraden. Die Forscher haben dieses System konkret für einen supraleitenden Stromkreis umgesetzt. Sie gehen aber davon aus, dass auch in anderen Anwendungsfällen ein derartiges Vorgehen möglich sein müsste.

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