Schrödingers Kätzchen waren noch nie sehr süß, und der neueste Wurf ist keine Ausnahme. Es ist unwahrscheinlich, dass Bilder von nebligen Wolken aus ultrakalten Atomen oder mikroskopisch kleinen Siliziumstreifen im Internet viral werden. Trotzdem sind diese exotischen Objekte beachtenswert, weil sie mit beispielloser Klarheit zeigen, dass die Quantenmechanik nicht nur die Physik des extrem Kleinen ist.“Schrödingers Kätzchen“, frei gesprochen, sind Objekte, die in der Mitte zwischen der atomaren Skala, für die die Quantenmechanik ursprünglich entwickelt wurde, und der Katze, die Erwin Schrödinger berühmt nannte, um die scheinbare Absurdität dessen hervorzuheben, was diese Theorie zu implizieren schien, aufgeschlagen sind. Diese Systeme sind „mesoskopisch“ – vielleicht etwa so groß wie Viren oder Bakterien, bestehen aus vielen Tausenden oder sogar Milliarden von Atomen und sind daher viel größer als die typischen Skalen, auf denen kontraintuitive quantenmechanische Eigenschaften normalerweise auftreten. Sie sollen die Frage untersuchen: Wie groß kann man werden, während man diese Quanteneigenschaften beibehält?
Um nach den neuesten Ergebnissen zu urteilen, lautet die Antwort: verdammt groß. Zwei verschiedene Arten von Experimenten – beide von mehreren Gruppen unabhängig voneinander durchgeführt – haben gezeigt, dass eine große Anzahl von Atomen in kollektive Quantenzustände gebracht werden kann, in denen wir nicht definitiv sagen können, dass das System die eine oder andere Reihe von Eigenschaften hat. In einer Reihe von Experimenten bedeutete dies, zwei Regionen einer Wolke kalter Atome zu „verschränken“, um ihre Eigenschaften voneinander abhängig zu machen und auf eine Weise zu korrelieren, die ihrer räumlichen Trennung keine Beachtung zu schenken scheint. In der anderen wurden mikroskopisch schwingende Objekte in sogenannte Überlagerungen von Schwingungszuständen manövriert. Beide Ergebnisse sind lose analog zu der Art und Weise, wie Schrödingers berüchtigte Katze, während sie in ihrer Kiste versteckt war, sich in einer Überlagerung von lebenden und toten Zuständen befand.
Die Frage, wie aus den Regeln der Quantenmechanik die scheinbar ganz anderen Regeln der klassischen Mechanik werden, bei denen Objekte genau definierte Eigenschaften, Positionen und Wege haben, beschäftigt Wissenschaftler seit der Entwicklung der Quantentheorie im frühen 20.Jahrhundert. Gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen großen klassischen Objekten und kleinen Quantenobjekten? Dieses Rätsel des sogenannten Quanten-klassischen Übergangs wurde durch Schrödingers Gedankenexperiment auf ikonische Weise hervorgehoben.
Die arme Katze ist ein viel missverstandenes Biest. Schrödingers Punkt war nicht, wie oft angedeutet, die scheinbare Absurdität der Quantenmechanik, wenn sie auf die alltägliche Skala extrapoliert wird. Die Katze war das Produkt der Korrespondenz zwischen Schrödinger und Albert Einstein, nachdem Einstein die Interpretation der Quantenmechanik des dänischen Physikers Niels Bohr und seiner Kollegen kritisiert hatte.Bohr argumentierte, dass die Quantenmechanik uns zu dem Schluss zu zwingen scheint, dass die Eigenschaften von Quantenobjekten wie Elektronen keine genau definierten Werte haben, bis wir sie messen. Für Einstein schien es verrückt, dass ein Element der Realität von unserem bewussten Eingreifen abhängt, um es ins Leben zu rufen. Mit zwei jüngeren Kollegen, Boris Podolsky und Nathan Rosen, präsentierte er 1935 ein Gedankenexperiment, das diese Interpretation unmöglich zu machen schien. Die drei (deren Arbeit jetzt das kollektive Label EPR trägt) stellten fest, dass Partikel in Zuständen erzeugt werden können, die miteinander korreliert sein müssen, in dem Sinne, dass, wenn einer von ihnen einen bestimmten Wert für eine Eigenschaft hat, der andere einen anderen bestimmten Wert haben muss. Im Falle von zwei Elektronen, die eine Eigenschaft namens Spin haben, könnte ein Spin „nach oben“ zeigen, während der Spin des anderen Elektrons „nach unten“ zeigt.“In diesem Fall, so Einstein und seine Kollegen, wenn Bohr Recht hat und die tatsächlichen Richtungen der Spins unbestimmt sind, bis man sie misst, dann bedeutet die Korrelation der beiden Spins, dass die Messung eines von ihnen sofort die Orientierung des anderen fixiert — egal wie weit das Teilchen entfernt ist. Einstein nannte diese scheinbare Verbindung „gruselige Handlung aus der Ferne.“ Aber ein solches Phänomen sollte unmöglich sein, denn Einsteins spezielle Relativitätstheorie zeigt, dass sich kein Einfluss schneller ausbreiten kann als Licht.Schrödinger nannte diese Korrelation zwischen den Teilchen „Verschränkung.“ Experimente seit den 1970er Jahren haben gezeigt, dass es sich um ein echtes Quantenphänomen handelt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich Quantenteilchen durch Einsteins gruselige Aktion sofort im Weltraum beeinflussen können. Es ist besser zu sagen, dass die Quanteneigenschaften eines einzelnen Teilchens nicht unbedingt an einem festen Ort im Raum bestimmt sind, sondern „nichtlokal“ sein können: vollständig spezifiziert nur in Bezug auf ein anderes Teilchen an anderer Stelle, in einer Weise, die unsere intuitive Vorstellung von Raum und Entfernung zu untergraben scheint.Schrödingers Katze entstand aus seinen Überlegungen über die Besonderheiten der EPR-Verschränkung. Schrödinger wollte zeigen, wie Bohrs Vorstellung, dass nichts fixiert ist, bis es gemessen wird, zu logischer Absurdität führen könnte, wenn wir uns diese Verschränkung bis zur Alltagsgröße vorstellen. Sein Gedankenexperiment platziert die unglückliche Katze in einer geschlossenen Box mit einem Fläschchen mit tödlichem Gift, das durch einen Mechanismus aufgebrochen werden kann, der es mit einem Quantenteilchen oder Ereignis verbindet — tatsächlich verschränkt. Der Auslöser könnte von einem Elektron kommen, das das Fläschchen bricht, wenn es einen Aufwärtsspin hat, aber nicht, wenn es einen Abwärtsspin hat. Sie können das Elektron dann in einer sogenannten Überlagerung von Zuständen präparieren, in der sowohl Aufwärtsdrehung als auch Abwärtsdrehung mögliche Ergebnisse einer Messung sind. Aber wenn der Spin vor der Messung unbestimmt ist, dann muss es auch der Status der Katze sein — es gibt keine Möglichkeit, sinnvoll zu sagen, ob sie lebt oder tot ist. Und das ist sicherlich unsinnig.Schrödingers Punkt war nicht einfach, dass Quantenregeln zu offensichtlichem Unsinn führen, wenn sie auf der alltäglichen Skala angewendet werden — dafür braucht man keine Katze. Vielmehr wollte er eine extreme Demonstration dafür finden, wie das Aufschieben einer Zuordnung eines bestimmten Zustands (lebendig oder tot) bis zur Messung (durch Öffnen der Box zum Nachschauen) zu Implikationen führen kann, die nicht nur seltsam, sondern logisch verboten erscheinen.
Für Bohr wäre dies ein ungültiges Szenario gewesen — Messung, wie das Öffnen der Box und das Betrachten der Katze, war für ihn immer ein makroskopischer und damit ein klassischer Prozess, daher würden Quantenregeln nicht mehr gelten. Aber wie stellt die Messung dann diese magische Transformation von Quantum zu Klassik sicher?
Anstatt darüber zu streiten, warum nicht einfach das Experiment machen? Das Problem ist, während es für Schrödinger sehr gut war, sich vorzustellen, eine Katze „quantum“ zu machen, indem man sie an ein atomares Ereignis koppelt, ist es überhaupt nicht klar, wie – oder ob — wir diese Skalierung in der Praxis durchführen können oder was eine Überlagerung von lebendig und tot in Bezug auf Quantenzustände bedeuten könnte.Aber mit modernen Techniken können wir uns vorstellen, gut definierte Quantenüberlagerungen von relativ großen Objekten zu erzeugen – nicht so groß wie Katzen, aber viel größer als einzelne Atome — und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Darum geht es bei den Bemühungen, Schrödingers Kätzchen zu kreieren.
„Viele Physiker erwarten im großen Maßstab eigentlich keine Überraschungen“, sagt Simon Gröblacher von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. „Aber es ist einfach nicht bekannt, was passieren wird, wenn Sie anfangen, Quantenzustände mit etwa 1023 Atomen zu erzeugen“, was die typische Skala von Alltagsgegenständen ist.Die neuen Experimente zeigen, dass trotz Schrödingers Gedanken relativ große Objekte tatsächlich ein kontraintuitives Quantenverhalten zeigen können.
Gröblacher und seine Kollegen schufen Mikrostrahlen aus Silizium, die jeweils 10 Mikrometer lang und 1 mal 0,25 Mikrometer im Querschnitt waren. Jedes zeigte Löcher entlang der Strahlen, die Infrarot-Laserlicht absorbieren und einfangen würden. Die Forscher erregten dann diese Strahlen mit Licht, das in einer Überlagerung von Pfaden gesendet wurde, einer zu jedem Strahl. Auf diese Weise konnten sie zwei Strahlen in einen einzigen Quantenschwingungszustand verschränken. Man könnte es sich als das sehr kleine Äquivalent von zwei verschränkten Katzen vorstellen.Eine andere Art der Verschränkung zwischen mechanischen Oszillatoren wurde in aufeinanderfolgenden Arbeiten mit Gröblachers Team in Nature von Mika Sillanpää von der Aalto University in Finnland und Kollegen berichtet. Sie koppelten zwei mikroskopisch kleine trommelfellartige Bleche über einen supraleitenden Draht. Der Draht kann einen elektrischen Strom enthalten, der bei Mikrowellenfrequenzen oszilliert (etwa 5 Milliarden Schwingungen pro Sekunde); Sein elektromagnetisches Feld übt einen Druck auf die Vibrationsplatten aus. „Die elektromagnetischen Felder wirken wie eine Art Medium, das die beiden Trommelfelle in den verschränkten Quantenzustand zwingt“, sagte Sillanpää.Forscher haben lange versucht, Quanteneffekte wie Überlagerung und Verschränkung in „großen“ mikromechanischen Oszillatoren wie diesen zu erreichen, die Milliarden von Atomen in sich haben. „Verschränkte Zustände mechanischer Oszillatoren werden seit den späten 1970er Jahren theoretisch diskutiert, aber erst in den letzten Jahren war es technisch möglich, solche Zustände zu erzeugen“, sagte Sillanpää.
Was diese Experimente zu einer solchen Tour de Force macht, ist, dass sie den Prozess vermeiden, der im Allgemeinen große Objekte von Quantenregeln in solche umwandelt, die der klassischen Physik gehorchen. Dieser Prozess scheint den fehlenden Teil (zumindest den größten Teil) des Puzzles der Messung zu liefern, das Bohr so wahnsinnig vage gelassen hat.
Es heißt Dekohärenz – und, ziemlich ordentlich, es geht um Verschränkung. Nach der Quantenmechanik ist Verschränkung ein unvermeidliches Ergebnis jeder Wechselwirkung zwischen zwei Quantenobjekten. Wenn also ein Objekt – sagen wir eine Katze — in einer Überlagerung von Zuständen beginnt, breitet sich diese Überlagerung — diese Quantenhaftigkeit, könnte man sagen – aus, wenn das Objekt mit seiner Umgebung interagiert und sich zunehmend mit ihr verfängt. Aber wenn Sie die Überlagerung tatsächlich beobachten wollen, müssen Sie das Quantenverhalten aller verschränkten Teilchen ableiten. Dies wird schnell unmöglich, ähnlich wie es unmöglich wird, alle Atome in einem Tintenklecks zu verfolgen, während er sich in einem Schwimmbad verteilt. Aufgrund der Wechselwirkung mit der Umgebung tritt die Quantennatur des ursprünglichen Teilchens aus und wird dispergiert. Das ist Dekohärenz.Quantentheoretiker haben gezeigt, dass Dekohärenz zu einem Verhalten führt, das in der klassischen Physik zu beobachten ist. Und Experimentalisten haben es in Experimenten bewiesen, die die Dekohärenzrate kontrollieren können, wobei die charakteristischen Quanteneffekte wie wellenartige Interferenz von Teilchen allmählich verschwinden, wenn die Dekohärenz fortschreitet.
Dekohärenz ist also von zentraler Bedeutung für das derzeitige Verständnis des Quanten-klassischen Übergangs. Die Fähigkeit eines Objekts, Quantenverhalten wie Interferenz, Überlagerung und verschränkungsinduzierte Korrelationen zu zeigen, hat nichts damit zu tun, wie groß es ist. Stattdessen hängt es davon ab, wie verstrickt es mit seiner Umgebung ist.
Nichtsdestotrotz spielt die Größe generell eine Rolle, denn je größer ein Objekt ist, desto leichter kann es sich mit seiner Umgebung verfangen und entkohären. Ein großes, warmes, ruheloses Objekt wie eine Katze hat keine Hoffnung, in einer quantenmechanischen Überlagerung jeglicher Art zu bleiben und wird mehr oder weniger augenblicklich zusammenfallen.Wenn Sie eine Katze einfach in eine Schachtel stecken und ihr Schicksal mit dem Ergebnis eines Quantenereignisses verknüpfen, werden Sie sie wahrscheinlich nicht in eine Überlagerung von lebendig und tot versetzen, da Dekohärenz sie fast sofort in den einen oder anderen Zustand zwingt. Wenn Sie die Dekohärenz unterdrücken könnten, indem Sie alle Interaktionen mit der Umgebung entfernen (ohne die Katze in einem ultrakalten Vakuum zu töten!) – nun, dann ist es eine andere Geschichte und die Argumente bestehen fort. Es ist fast unmöglich, sich vorzustellen, wie das für eine Katze zu erreichen. Aber genau das haben die Teams von Gröblacher und Sillanpää mit ihren winzigen Oszillatoren erreicht.
Anstatt von oben nach unten auf die quantenmechanische Grenze hinzuarbeiten und zu sehen, ob wir Quantenhaftigkeit in ein vibrierendes Objekt zaubern können, wenn es klein genug ist, können wir es von unten nach oben betrachten. Da wir wissen, dass Quanteneffekte wie Überlagerung und Interferenz in einzelnen Atomen und sogar kleinen Molekülen leicht zu sehen sind, könnten wir uns fragen, wie weit diese Effekte aufrechterhalten werden können, wenn wir immer mehr Atome hinzufügen. Drei Teams sind dieser Frage nun nachgegangen und haben Quantenzustände für Wolken mit bis zu Zehntausenden ultrakalten Atomen erreicht, indem sie sie in einem Zustand verschränkt haben, der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird.Einstein und der indische Physiker Satyendra Nath Bose wiesen darauf hin, dass ein solcher Zustand unter Bosonen (benannt nach Bose), einer der beiden allgemeinen Klassen fundamentaler Teilchen, existieren kann. In einem BEC befinden sich alle Teilchen im selben Quantenzustand, was bedeutet, dass sie sich wie ein großes Quantenobjekt verhalten. Da es sich um einen Quanteneffekt handelt, findet die Bose-Einstein—Kondensation nur bei sehr niedrigen Temperaturen statt, und eine Wolke wurde 1995 nur in ihrer reinsten Form — einer Wolke aus bosonischen Teilchen – in Rubidiumatomen beobachtet, die auf nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt waren.
BECs aus solchen ultrakalten Atomen haben Physikern ein neues Medium zur Untersuchung von Quantenphänomenen gegeben. In der Vergangenheit haben Forscher gezeigt, dass eine solche Wolke — vielleicht mehrere tausend Atome — in einen Zustand versetzt werden kann, in dem alle Atome miteinander quantenverschränkt sind.
Diese sind nicht streng Schrödingers Kätzchen, sagte Carsten Klempt von der Leibniz Universität Hannover in Deutschland. Diese werden im Allgemeinen als Überlagerungen von Zuständen definiert, die so unterschiedlich sind, wie sie sein könnten: zum Beispiel alle mit Aufwärtsdrehung und alle mit Abwärtsdrehung (analog zu „lebendig“ und „tot“). Das ist in diesen verschränkten Atomwolken nicht der Fall. Dennoch zeigen sie immer noch Quantenverhalten in einem relativ großen Maßstab.
Es gibt jedoch eine wichtigere Bedingung für die Idee, dass es sich um „Kitten-Scale“ -Ausführungsformen der Verschränkung im EPR-Stil handelt. Die Atome sind alle durcheinander im Raum und sind identisch und nicht zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass Sie, selbst wenn sie verstrickt sind, keine Korrelation zwischen der Eigenschaft eines Objekts hier und einem anderen dort sehen können. „Bose-Einstein-Kondensate ultrakalter Atome bestehen aus großen Ensembles ununterscheidbarer Atome, die in jeder physikalisch beobachtbaren Form buchstäblich gleich sind“, sagte Klempt. „Daher kann die ursprüngliche Definition der Verschränkung in ihnen nicht verwirklicht werden.“ Tatsächlich ist das gesamte Konzept der Verschränkung zwischen nicht unterscheidbaren Teilchen theoretisch umstritten. „Das liegt daran, dass der Begriff der Verschränkung die Möglichkeit erfordert, die Subsysteme zu definieren, die miteinander verschränkt sind“, sagte Philipp Kunkel von der Universität Heidelberg.Eine viel deutlichere Art der Verschränkung, direkt analog zur Verschränkung der räumlich getrennten Teilchen im EPR-Gedankenexperiment, wurde nun in drei separaten Experimenten von Klempts Team in Hannover, Kunkels Gruppe (angeführt von Markus Oberthaler) in Heidelberg und einem Team um Philipp Treutlein an der Universität Basel in der Schweiz demonstriert. „Der Konflikt mit der klassischen Physik ist besonders auffällig, wenn die Verschränkung zwischen solchen räumlich getrennten Systemen beobachtet wird“, sagte Treutlein. „Dies ist die Situation, die das EPR-Papier von 1935 berücksichtigt.Alle drei Gruppen verwendeten Wolken von Hunderten bis Tausenden von Rubidium-Atomen, die in elektromagnetischen Einfangfeldern gehalten wurden (entweder erzeugt durch mikroskopische Geräte auf einem „Atom-Chip“ oder erzeugt durch gekreuzte Laserstrahlen). Die Forscher verwendeten Infrarotlaser, um Quantenübergänge in den Spins der Atome anzuregen, und suchten nach den Korrelationen zwischen den Spinwerten, die das verräterische Zeichen der Verschränkung sind. Während die Heidelberger und Basler Gruppen zwei verschiedene Regionen in einer einzigen großen Wolke adressierten, teilte Klempts Gruppe die Wolke tatsächlich auf, indem sie eine Region mit leerem Raum in die Mitte einfügte.
Die Basler und Heidelberger Gruppen demonstrierten die Verschränkung über einen Effekt namens Quantensteuerung, bei dem die scheinbare gegenseitige Abhängigkeit der beiden verschränkten Regionen ausgenutzt wird, so dass Messungen an einer von ihnen es den Forschern ermöglichen, die Messungen der anderen vorherzusagen. „Der Begriff Lenkung wurde von Schrödinger eingeführt“, erklärt Treutlein. „Es bezieht sich auf die Tatsache, dass sich je nach Messergebnis in Region A der Quantenzustand ändert, mit dem wir System B beschreiben.“ Man kann den Zustand des entfernten Systems nicht deterministisch steuern, da das Ergebnis der Messung immer noch probabilistisch ist“, sagte Kunkel. „Es gibt keinen ursächlichen Einfluss.“
Diese Ergebnisse sind „sehr spannend“, sagte Jens Eisert von der Freien Universität Berlin, der an der Arbeit nicht beteiligt war. „Verschränkung in atomaren Dämpfen wurde lange zuvor erzeugt“, sagte er, „aber was hier anders ist, sind die Ebenen der Adressierbarkeit und Kontrolle in diesen Systemen.“Abgesehen von der klareren Demonstration der Verschränkung, wenn sie zwischen räumlich getrennten Regionen besteht, gibt es auch einen praktischen Vorteil, wenn man die Dinge so macht: Man kann die getrennten Regionen einzeln für die Quanteninformationsverarbeitung ansprechen. „Es ist nicht einmal prinzipiell möglich, einzelne Atome im BEC anzusprechen, ohne alle anderen Atome zu beeinflussen, wenn sie alle am selben Ort sind“, sagte Treutlein. „Wenn wir jedoch die beiden räumlich getrennten Regionen einzeln ansprechen können, wird die Verschränkung für Quanteninformationsaufgaben wie Quantenteleportation oder Verschränkungsaustausch verfügbar.“ Dies erfordert jedoch, dass die physikalische Trennung der Wolken über das hinausgeht, was in den aktuellen Experimenten getan wurde“, fügte er hinzu. Im Idealfall, sagte Klempt, würden Sie die Wolke weiter in einzeln adressierbare Atome aufteilen.“Große“ Quantenobjekte wie diese könnten es uns auch ermöglichen, neue Physik zu erforschen: um beispielsweise herauszufinden, was passiert, wenn die Schwerkraft einen signifikanten Einfluss auf das Quantenverhalten ausübt. „Mit dieser neuen Art, große verschränkte Zustände zu kontrollieren und zu manipulieren, könnte es Raum für anspruchsvolle Tests von Quanteneffekten in Gravitationstheorien geben“, sagte Eisert. Es wurde zum Beispiel vorgeschlagen, dass Gravitationseffekte einen physikalischen Zusammenbruch von Quantenzuständen in klassische induzieren könnten, eine Idee, die im Prinzip für Experimente an Überlagerungen oder verschränkten Zuständen großer Massen zugänglich ist. Treutlein sagte, dass eine Möglichkeit, physikalisch-physikalische Modelle zu testen, Interferenzen zwischen verschiedenen atomaren „Materiewellen“ beinhaltet — und er fügte hinzu, dass das geteilte, verschränkte BEC seiner Gruppe als ein solches Atominterferometer fungieren kann. „Die meisten Physiker werden wahrscheinlich keinen plötzlichen Zusammenbruch der Quantenphysik erwarten“, wenn die Systemgröße zunimmt, sagte Klempt. Aber Kunkel fügte hinzu, dass „es experimentell und theoretisch immer noch eine offene Frage ist, ob es eine grundlegende Grenze für die Größe der Objekte gibt, die miteinander verschränkt werden können.“Die interessanteste Frage ist, ob es eine grundlegende Größe gibt, bei der man in gewissem Sinne keine Verschränkung machen kann“, sagte Sillanpää. „Das würde bedeuten, dass neben der normalen Quantenmechanik noch etwas anderes ins Bild kommt, und dies könnte zum Beispiel ein Kollaps aufgrund der Schwerkraft sein.“ Wenn die Schwerkraft eine Rolle spielt, könnte dies einige Hinweise geben, wie eine Theorie der Quantengravitation entwickelt werden kann, die die derzeit inkompatiblen Theorien der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie vereint.
Das wäre ein ziemlicher Coup für Schrödingers Kätzchen. Im Moment verstärken sie die allgemeine Überzeugung, dass das Quantenverhalten nichts Besonderes ist, abgesehen von der Tatsache, dass es sich in eine immer verworrenere Katzenwiege verwandelt, aus der unser klassisches Netz hervorgeht. Dabei muss keine Katze getötet werden.