US-Physiker haben erstmals eine neue, exotische Variante von „Schrödingers Katze“ erzeugt. In ihr befinden sich Photonen nicht nur im Zustand der quantenphysikalischen Überlagerung, zwei solche räumlich getrennten Photonengruppen sind gleichzeitig auch miteinander verschränkt. Schrödingers Katze ist damit in zwei Boxen gleichzeitig entweder lebendig oder tot, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ erklären. Der Sinn dahinter: Über solche Verknüpfungen könnten Quantencomputer fehlersicherer und korrigierbar werden.
Schrödingers Katze ist wohl die berühmteste Veranschaulichung des quantenphysikalischen Phänomens der Überlagerung. In diesem Gedankenexperiment von 1935 wird eine Katze zusammen mit einem durch radioaktiven Zerfall freigesetzten Gift in einen Kasten gesperrt. Solange der Kasten geschlossen bleibt, weiß man nicht, ob sie lebt oder stirbt – sie ist damit im Prinzip beides, solange man nicht den Kasten öffnet und nachsieht.
Ein solcher Überlagerungszustand zweier Zustände bildet eine Grundlage quantenphysikalischer Anwendungen, von überlagerten Elektronen bis hin zu größeren Gebilden aus mehr als 400 Atomen.
Eine Katze in zwei Boxen gleichzeitig
Jetzt haben Chen Wang von der Yale University und seine Kollegen erstmals einen exotischeren Typ von Schrödingers Katze erzeugt: eine „Katze“, die in zwei Kästen gleichzeitig lebendig oder tot ist. Damit kombinierten sie Schrödingers Katze mit einem weiteren Phänomen der Quantenwelt: der Verschränkung. „Man kann dies als verschränktes Paar von zwei einzelnen Katzen-Zuständen ansehen“, erklären die Wissenschaftler.
Im Experiment besteht Schrödingers Katze aus Mikrowellenphotonen, die in zwei getrennten „Kästen“ eines elektromagnetischen Felds gefangen sind. Die Forscher manipulierten dann die Photonen eines „Kastens“ so, dass die Teilchen alle einen von zwei möglichen Spinzuständen annahmen – welchen, weiß man erst, wenn man nachsieht.
Überlagerte Photonengruppen verschränkt
Das Besondere daran: Beide „Kästen“ sind über eine supraleitende Atombrücke miteinander verknüpft. Sie sorgt dafür, dass beide Photonengruppen quantenphysikalisch miteinander verschränkt sind. „Diese Katze bleibt damit nicht in einem Kasten, weil ihr Quantenzustand von beiden Kavitäten geteilt wird und nicht getrennt voneinander beschrieben werden kann“, erklärt Wang.
Alternativ kann man diese Kombination aus Überlagerung und Verschränkung auch als zwei kleine Schrödingers Katzen betrachten, eine in jeder Box, die miteinander verbunden sind. Bisher gelang es Wang und seinen Kollegen, solche „Kombi-Katzen“ aus jeweils bis zu 80 Photonen zu erzeugen und mehr als eine Millisekunde aufrechtzuerhalten – für das quantenphysikalische Äquivalent von Schrödingers Katze ist dies eine Menge.
Wichtig für Quantencomputer und Teleportation
Dieser Erfolg hat auch ganz praktische Bedeutung – unter anderem für künftige Quantencomputer: „Wie sich zeigt, sind solche Katzen-Zustände sehr effektiv, um Quanteninformation redundant zu speichern“, erklärt Koautor Robert Schoelkopf von der Yale University. „Eine Katze in zwei Boxen zu erzeugen ist der erste Schritt zu logischen Operationen zwischen zwei Quanten-Bits in einer Art, die die Korrektur von Fehlern erlaubt.“
Denn bisher ist eines der Probleme von Quantenrechnungen, wie man Fehler erkennen und korrigieren kann, ohne die Überlagerung und damit den Rechenprozess und die Information zu stören. „Der hier realisierte Zweimoden-Katzenzustand von mesoskopischer Überlagerung und Verschränkung quasiklassischer Zustände ist aber auch eine Ressource für die Quantenmetrologie, Quantennetzwerke und die Teleportation“, betonen die Forscher. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaf2941)
(Yale University, 27.05.2016 – NPO)
