Zurück zur Klassik

Was braucht es, damit ein System vom Quanten- in den klassischen Zustand geschubst wird?

Es kommt vor, dass sich mein Auto im Parkhaus nicht dort befindet, wo ich es glaubte abgestellt zu haben. Ich führe das dann auf Gedächtnisverlust zurück, auf ein paar fehlgeleitete Impulse auf irgendwelchen Nervenfasern, chemische Reaktionen, die sich zufällig mal eben anders entwickelt haben als von der Natur vorgesehen. Ich schreibe meinem Auto aber nie Quanteneigenschaften zu. Der beste Beweis dafür, dass ich damit einigermaßen richtig liege: Finde ich den Wagen dann doch, steht er an genau einer Stelle. Nicht zur Hälfte hier und zur Hälfte dort - wie sich einzelne Elektronen verhalten würden, die man im klassischen Doppelspalt-Experiment streut.

Für sie kann man allenfalls Wahrscheinlichkeiten angeben, hinter welchem Spalt sie sich denn wiederfinden werden. Das Experiment lässt sich auch mit größeren Masseballungen erfolgreich absolvieren - es ist aber bisher keine peer-geprüfte wissenschaftliche Arbeit bekannt, die ähnliches erfolgreich mit Autos angestellt hätte.

Das liegt daran, dass ein Auto als ganzes eine ziemlich kleine De-Broglie-Wellenlänge hätte. Es liegt aber auch daran, dass bei steigender Partikelgröße die Teilchen immer stärker Gefahr laufen, in Rückkopplung mit ihrer Umgebung zu treten. Dann wird das komplette System unüberschaubar groß, mit einer simplen Interferenz ist es nicht mehr getan - und die Forscher sprechen schlicht von Dekohärenz.

Das kleinstmögliche Doppelspalt-Experiment. Die Absorption eines Photons führt zur Emission zweier Elektronen aus den zwei Zentren des Wasserstoff-Moleküls. Die Interaktion der Ladungsträger führt zum Verlust der Interferenz bei der Winkelverteilung der Elektronen. (Bild: Till Jahnke, Universität Frankfurt)

Doch auch dem kleinsten Teilchen lässt sich nicht immer brav am Doppelschlitz das Wellenverhalten unterschieben. Es gibt genügend Möglichkeiten der Kopplung mit der Umgebung - seien es nun Coulomb-Kräfte, thermische Strahlung oder die Gravitation. Wieviel Interaktion braucht es nun, damit ein System vom Quanten- in den klassischen Zustand geschubst wird?

Ein internationales Forscherteam hat dieses spannende Thema anhand eines Minimalsystems untersucht. In einem Report in dem Wissenschaftsmagazin Science zeigen sie, dass bereits zwei Protonen und ein Photo-Elektron ein Minimalsystem für das Doppelspalt-Experiment konstituieren - und dass es nur eines zweiten Elektrons bedarf, um darin klassisches Verhalten zu provozieren.

Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine interessante Tatsache: Zwar verhält sich das eine Elektron unter dem Einfluss der Ladungskräfte des anderen plötzlich wie ein gewöhnliches Teilchen - doch gleichzeitig führt die Coulomb-Anziehung zwischen den Elektronen dazu, dass sich ihre Wellenfunktionen verschränken. Als Einzelpartikel-System betrachtet, verliert das Elektron zwar die Kohärenz - diese bleibt aber in der Verschränkung beider Elektronen erhalten.

Das konnten die Forscher auch an den Interferenzmustern des Zwei-Elektronen-Systems zeigen. Die Beobachtungen sind von mehr als rein theoretischem Wert: in einem auf Elektronen basierenden Festkörper-Quantencomputer wäre die explizite Berücksichtigung der ladungsbasierten (Coulomb-)Interaktionen eine echte Herausforderung.

Das Experimental-Setup, mit dem die beiden Teilchen-Wellen aufgezeichnet wurden. (Bild: Reinhard Dörner, Universität Frankfurt)

(Matthias Gräbner)