Schrödingers Katze im Sprung erwischt

Dogma gebrochen: Nach gängiger Lehrmeinung sind einzelne Quantensprünge in Atomen komplett zufällig und unberechenbar – wie der Zustand von „Schrödingers Katze“ im berühmten Gedankenexperiment. Doch ein Experiment widerlegt dies nun. Demnach gibt es ein Vorwarnzeichen, das einen Quantensprung ankündigt – und ihn so zumindest kurzfristig vorhersagbar und sogar beeinflussbar macht, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

In der Quantenwelt können Teilchen mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen – zumindest solange, bis ihr Zustand gemessen wird. Denn dann bricht die Überlagerung zusammen und der Quantenzustand ändert sich sprunghaft – oder auch nicht. Eine Analogie dazu ist das berühmte Gedankenexperiment von Schrödingers Katze: Das in einem verschlossenen Kasten sitzende Tier ist solange in einem unbekannten Zustand zwischen Leben und Tod, bis man nachschaut.

Gleichzeitig tot und lebendig: Das Schicksal von Schrödingers Katze entscheidet sich erst beim Nachschauen – in der Quantenwelt bestimmt dies, ob aus einer Überlagerung heraus ein Quantensprung stattfindet oder nicht. © Dhatfield /CC-by-sa 3.0

Wie vorhersehbar sind Quantensprünge?

In der Quantenwelt bestimmt demnach erst das Nachschauen, ob ein Quantensprung stattfindet oder nicht – beispielsweise indem der Spin eines Atoms umklappt oder ein Elektron im Atom auf ein höheres Energieniveau springt. „Diese Quantensprünge ereignen sich beispielsweise immer dann, wenn wir im Quantencomputer ein Qubit messen“, erklären Zlatko Minev von der Yale University in New Haven und seine Kollegen.

Das Problem jedoch: Gängiger Theorie nach sind diese Quantensprünge unberechenbar – ob und wann ein solcher Sprung auftreten wird, lässt sich nicht vorhersagen. Für viele Anwendungen der Quantentechnologie ist dies ein Nachteil. Doch einige theoretische Modelle deuten inzwischen daraufhin, dass es sehr wohl Vorzeichen für einen Sprung geben könnte. Genau dies haben nun Minev und sein Team in einem Experiment untersucht.

Verborgene Sprünge im Atom

Für ihren Versuch nutzten die Forscher ein künstliches Atom, das genau drei Energiezustände einnehmen kann: den Grundzustand, einen nächsthöheren „dunklen“ Zustand, der nicht direkt gemessen wird, sowie einen dritten „hellen“ Hilfszustand. Wird das Atom durch Mikrowellen angeregt, springt es in diesen Zustand. Beim anschließenden Rücksprung in den Grundzustand sendet es ein Photon aus, das von Photodetektoren registriert werden kann.

Der Clou dabei: Durch eine Kombination der Mikrowellendaten und der Photonenmessungen können die Physiker auch erkennen, ob und wann ein Quantensprung vom Grundzustand auf das „dunkle“ Energieniveau stattfindet – ohne ihn direkt messen zu müssen. Dadurch konnten sie gezielt nach Veränderungen im System suchen, die diesen Sprung möglicherweise ankündigen.

Photonenstille als Vorwarnzeichen

Und tatsächlich: Es gibt ein Vorzeichen des Quantensprungs, wie das Experiment enthüllte. „Trotz der langfristigen Unvorhersagbarkeit der Sprünge vom Grundzustand in den dunklen Zustand geht ihnen eine in jedem Durchgang identische Phase der Photonenstille voraus“, erklären Minev und sein Team. Hat diese zwei bis zehn Mikrosekunden lange „No-Click“-Periode einmal begonnen, folgt zwangsläufig ein Quantensprung, wie die Forscher feststellten.

Demnach sind Quantensprünge zwar zufällige und diskrete Ereignisse. Gleichzeitig aber ist die Entwicklung des einzelnen Sprungs vorhersehbar und verläuft nicht zufällig. „Der Ablauf jedes Sprungs ist damit kontinuierlich, kohärent und deterministisch“, erklären die Physiker. „Die deterministische Natur des ununterbrochenen Fluges kommt für uns überraschend – es ist eine Insel der Vorhersagbarkeit im Ozean der Unsicherheiten.“

Abgefangener Sprung

Anders ausgedrückt: Schrödingers Katze lässt sich im Sprung zwischen Leben und Tod erwischen – und möglicherweise sogar aufhalten. Denn im Experiment gelang es den Forschern sogar, den Quantensprung durch Eingreifen in der Vorwarnperiode wieder umzukehren. Ihrer Ansicht nach eröffnen die neuen Erkenntnisse damit eine Chance, kontrollierend in die Abläufe von Quantensystemen einzugreifen – beispielsweise indem man Fehler von Quantencomputern frühzeitig entdeckt und korrigiert.

Die Forscher vergleichen das von ihnen nachgewiesene Phänomen mit dem Verhalten von Vulkanausbrüchen: „Langfristig sind sie völlig unvorhersehbar. Aber mit den richtigen Messungen kann man Frühzeichen einer bevorstehenden Eruption detektieren und dann rechtzeitig handeln“, erklärt Minev. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1287-z)

Quelle: Yale University