Physiker schaffen das Größte

Jan 15, 2024

Physiker haben das größte Objekt aller Zeiten einer Quantenüberlagerung unterzogen

Ein 16 Mikrogramm schwerer Saphirkristall ist das größte Objekt, das jemals in einer quantenmechanischen Überlagerung zweier Schwingungszustände existierte. Forscher der Hybrid Quantum Systems Group an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) regten den Kristall in Schwingungen an, sodass seine Atome gleichzeitig und in zwei entgegengesetzte Richtungen hin- und herschwingten – wodurch der gesamte Kristall in eine sogenannte a Zustand der Quantenüberlagerung.

Wie die Forschungsgruppe in „Science“ berichtet, ähnelt dieser Zustand stark dem der Katze im berühmten Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger. In Schrödingers quantenmechanischem Szenario ist eine Katze gleichzeitig lebendig und tot, abhängig vom Zerfall eines Atoms, das ein Giftfläschchen freisetzt. Das Saphirglas im neuen Experiment wurde in das makroskopische Äquivalent dieses „Katzenzustands“ versetzt. Solche Zustände können Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie und warum die Gesetze der Quantenwelt für größere Objekte in die Regeln der klassischen Physik übergehen.

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Damit sich der Saphir, der aus etwa 1017 Atomen besteht, wie ein quantenmechanisches Objekt verhält, versetzte die Forschungsgruppe ihn in Schwingungen und koppelte ihn an einen supraleitenden Schaltkreis. (In den Begriffen des ursprünglichen Gedankenexperiments war der Saphir die Katze und der supraleitende Schaltkreis das zerfallende Atom.) Der Schaltkreis wurde als Qubit oder Quanteninformationsbit verwendet, das sich gleichzeitig in den Zuständen „0“ und „befindet“. 1." Die Überlagerung der Schaltung wurde dann auf die Schwingung des Kristalls übertragen. So könnten sich die Atome im Kristall gleichzeitig in zwei Richtungen bewegen – zum Beispiel nach oben und nach unten –, so wie Schrödingers Katze gleichzeitig tot und lebendig ist.

Wichtig ist, dass der Abstand zwischen diesen beiden Zuständen (lebendig und tot oder oben und unten) größer sein musste als der Abstand, der dem Quantenunschärfeprinzip zugeschrieben wird, was die Wissenschaftler der ETH Zürich bestätigten. Mithilfe des supraleitenden Qubits gelang es den Forschern, den Abstand zwischen den beiden Schwingungszuständen des Kristalls zu bestimmen. Mit etwa zwei Milliardstel Nanometern ist es winzig – aber immer noch groß genug, um diese beiden Zustände zweifelsfrei voneinander zu unterscheiden.

Diese Erkenntnisse haben „die Grenzen dessen, was in einem tatsächlichen Laborexperiment als quantenmechanisch angesehen werden kann, erweitert“, sagt Shlomi Kotler, eine Physikerin, die quantenmechanische Schaltkreise an der Hebräischen Universität Jerusalem untersucht. Kotler nahm nicht an der Studie teil.

Bei quantenmechanischen Objekten, die auf der Skala von Atomen und subatomaren Teilchen existieren, sind solche Überlagerungen klassisch inkompatibler Zustände üblich. Makroskopische Objekte aus sehr vielen Atomen gehorchen hingegen normalerweise der klassischen Mechanik: Sie können nicht gleichzeitig zwei widersprüchliche Zustände annehmen. So wie eine Katze nicht gleichzeitig lebendig und tot sein kann, kann ein Kristall nicht gleichzeitig auf und ab schwingen. Das große Rätsel hierbei ist jedoch, warum dies normalerweise nicht möglich ist. Denn egal wie groß ein Objekt ist, es besteht aus Atomen und subatomaren Teilchen, die den Regeln der Quantenphysik gehorchen.

Kotler weist darauf hin, dass die Suche nach größeren Katzenzuständen eine Möglichkeit darstellt, die Grenzen der beobachteten quantenmechanischen Objekte zu erweitern – in diesem Fall durch den Nachweis, dass in diesem Zustand etwas mit einer Masse von bis zu 16 Mikrogramm existieren kann. (Um es klarzustellen: 16 Mikrogramm sind immer noch mikroskopisch.)

Es gibt mehrere mögliche Erklärungen dafür, warum größere Objekte nicht der Quantenmechanik folgen. Wenn zum Beispiel die Anzahl der Atome zunimmt, führen möglicherweise immer mehr Einflüsse dazu, dass quantenmechanische Zustände zerfallen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Schwerkraft eine Rolle spielt. Die Hoffnung ist, dass immer größere Katzenstaaten dazu beitragen können, das Schrödinger-Katzen-Rätsel irgendwann zu lösen.

Tatsächlich hofft Matteo Fadel von der ETH Zürich, der die Studie gemeinsam mit Marius Bild und Yu Yang leitete, auf dem Erfolg des Teams mit dem Saphir und dem Supraleiter aufzubauen, um einige dieser Möglichkeiten zu testen. „Ich bin daran interessiert, das Potenzial unserer Geräte zur Untersuchung der Grundlagenphysik, einschließlich der Phänomenologie der Niederenergie-Quantengravitation, zu erkunden“, sagt Fadel.

Auch stabile, kontrollierbare makroskopische Quantenzustände – wie sie in dieser Studie erzeugt werden – sind von technischem Interesse. Sie können beispielsweise in Fehlerkorrekturmethoden in immer komplexer werdenden Quantencomputern eingesetzt werden. Kotler erklärt, dass Quantencomputing auf Geräten basieren könnte, die elektrische Komponenten zur Verarbeitung und mechanische Objekte zur Speicherung verbinden – so wie die Autoren dieser Arbeit eine supraleitende Elle mit dem Saphirkristall gekoppelt haben.

Dieser Artikel erschien ursprünglich im Spektrum der Wissenschaft und wurde mit Genehmigung reproduziert.

Anmerkung des Herausgebers (16.05.23): Dieser Artikel wurde nach der Veröffentlichung aktualisiert, um klarzustellen, dass Matteo Fadel die Studie mit geleitet hat, und um zusätzliche Informationen über die Forschungsgruppe hinzuzufügen.

Lars Fischeris a chemist and works as a journalist and editor at Spektrum der Wissenschaft.

Daisy Yuhas ist Herausgeber der Scientific American-Kolumne Mind Matters. Sie ist eine freiberufliche Wissenschaftsjournalistin und Redakteurin mit Sitz in Austin, Texas. Folgen Sie Yuhas auf Twitter @DaisyYuhas Credit: Nick Higgins

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