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Katze mit zwei Augenfarben

"Ein burlesker Fall" wird Realität

Bis vor wenigen Jahren galt "Schrödingers Katze" noch als absonderliche Phantasie der theoretischen Physik. Nun ist sie nicht mehr weit von der experimentellen Umsetzung entfernt.

Quantenphysik 16.04.2010

Markus Aspelmeyer von der Universität Wien berichtet über den aktuellen Stand dieser Versuche. Ein Gespräch über Katzen, Trommeln und Sprungbretter im Quantenzustand.

science.ORF.at: Erwin Schrödinger hat 1935 eine Arbeit veröffentlicht, in der er, wie er schreibt, einen "burlesken Fall" erfand: den einer Katze in einer Kiste. Worum geht es in diesem Gedankenexperiment?

Aspelmeyer: Das Schrödinger'sche Katzenparadoxon beschreibt eine ganz eigenartige Konsequenz der Quantentheorie. Laut dieser kann es für jeden Zustand eines Quantenobjekts eine Überlagerung geben.

Quantenphysiker Markus Aspelmeyer

Markus Aspelmeyer

Markus Aspelmeyer ist seit August 2009 Professor für Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Universität Wien. Davor hat er eine Arbeitsgruppe am IQOQI geleitet, einem Forschungsinstitut der ÖAW mit Sitz in Wien und Innsbruck.

Schrödinger beschreibt einen Apparat, bei dem eine Katze durch einen Quanteneffekt getötet werden kann. Und zwar folgendermaßen: In einer Kiste befinden sich die Katze und ein instabiles Atom. Wenn das Atom zerfällt, zerschlägt es eine Giftphiole, was die Katze tötet. Aber dieses einzelne Atom befindet sich laut Theorie in einem Überlagerungszustand von "zerfallen" und "nicht zerfallen" - und diese Überlagerung überträgt sich auf die Katze: Sie befindet sich in einem Zustand zwischen "tot" und "nicht tot". Was aus Sicht unserer Alltagserfahrung eigentlich Irrsinn ist. Denn wir wissen: Katzen können nur tot oder lebendig sein.

Wobei Schrödinger das Öffnen der Kiste, das Nachsehen, ob die Katze nun lebt oder nicht, mit der Messung des Physikers vergleicht.

Ja, erst die Beobachtung zeigt uns in dem Gedankenexperiment, ob die Katze tot oder lebendig ist. Die Theorie besagt, dass wir unabhängig von der Beobachtung nichts Definitives über ein Quantensystem aussagen können.

"Sein ist Wahrgenommen werden", sagte einst George Berkeley. Für Atome gilt der Satz offenbar - aber wie weit gilt er? Gibt es eine prinzipielle Grenze, ab der Quanteneffekte nicht mehr möglich sind?

Das ist eine offene Frage. Laut Quantentheorie gibt es keine Grenze. Es gibt wunderbare Experimente, die zeigen, dass man die Grenze immer weiter hinausschieben kann. Mein Kollege Markus Arndt hat etwa bereits solche Effekte bei biologischen Makromolekülen nachgewiesen. Deswegen hat Schrödinger sein Gedankenexperiment auch als "burlesken Fall" bezeichnet: Es ist eine lächerliche Situation.

Mitte März haben US-Physiker einen weiteren Schritt in diese Richtung vorgestellt. Eine Vorrichtung, die im Fachblatt "Nature" als "Quantentrommel" bezeichnet wurde.

Das Experiment gehört zu einem ganz neuen Forschungsfeld, dessen Ziel es ist, Quanteneffekte in mechanischen schwingenden Systemen nachzuweisen. Diese Gruppe aus Santa Barbara hat einen vibrierenden Piezokristall - ähnlich dem, der das Handy zum Vibrieren anregt - in einen quantenphysikalischen Grundzustand gebracht. Das heißt, die Vibration wies den kleinsten Betrag auf, der laut Theorie überhaupt möglich ist. Der Kristall selbst war einen Mikrometer groß.

Und die Kollegen aus den USA haben zusätzlich gezeigt, dass man Quantenzustände von einem Supraleiter auf diesem vibrierenden Kristall - und wieder zurück übertragen kann. Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung Quanteninformationsverarbeitung.

Wozu könnte so eine Vorrichtung in Zukunft dienen?

Sendungshinweis:

Mit den modernen Nachfolgern von Schrödingers Katze beschäftigt sich auch ein Beitrag im freitäglichen Dimensionen-Magazin auf Ö1. Sendezeit: 19.06 Uhr.

Ein Gebiet der Anwendung ist der Quantencomputer. Man braucht dafür Technologien, mit denen man Quanteninformation verarbeiten, speichern und versenden kann. Für das Versenden gibt es bereits etwas Tolles, nämlich Photonen. Aber wie können wir die Informationen auf einer Harddisc speichern und verarbeiten? Dazu benötigt man stationäre physikalische Systeme - so ein Kristall wäre eine Möglichkeit.

Eine zweite Art der Anwendungen geht in Richtung Verbesserung mechanischer Sensoren. Sie glauben gar nicht, wie viel Sensorik heutzutage schon mechanisch abläuft: Druck-, Geschwindigkeits-, Kraft- und Abstandssensoren - sie alle verwenden Membranen, mechanische Schwinger oder ähnliches. Deren Auflösung ist bereits unglaublich gut, man kann beispielsweise einzelne Goldatome mit Mechanik detektieren. Man kann auf diese Weise auch die Gravitation zwischen zwei ein Gramm schweren Objekten messen. Aber die Auflösung ist dennoch limitiert durch Wärmeschwingungen. Sensoren im quantenphysikalischen Grundzustand würden dieses Limit noch einmal deutlich nach unten verschieben.

Aber für diesen Grundzustand benötigt man Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Selbst ein Mini-Kühlschrank würde auf diesem Temperaturniveau extrem viel Energie verbrauchen. Das könnte für den Quantencomputer ein Marktproblem werden.

Quantencomputer können Probleme lösen, die herkömmliche Rechner nie werden lösen können. Daher wird es sich für Leute mit entsprechenden Problemen vermutlich auch rentieren, die notwendigen Ressourcen einsetzen. Aber klar: Ob daraus jemals eine Schreibtischtechnologie werden wird, ist heute noch nicht abzusehen.

Im Übrigen könnte man Kühlschränke technologisch durchaus umgehen. Wenn man beispielsweise Atome mit einem Laser bestrahlt, entsteht ein Rückstoß von Photonen. Den kann man dazu verwenden, die Atome extrem abzukühlen. Wir haben den Druck von Photonen vor ein paar Jahren auch für die Kühlung von größeren, mechanischen Dingen eingesetzt.

Und das wäre energetisch weniger aufwändig?

Im Prinzip ja, Laser haben wir ja heute schon in jedem DVD-Player. Aber natürlich ist das zum gegenwärtigen Zeitpunkt Spekulation.

Sie planen nun ein Experiment, das noch weit über die Quantentrommel hinausgehen soll.

Ja, die Quantentrommel besteht zwar aus zehn bis hundert Milliarden Atomen. Aber das Ausmaß der Schwingung des Kristalls ist sehr klein - in der Größenordnung eines Atomdurchmessers. Der nächste Schritt wäre ein mechanisches System, bei dem die Schwingung so groß ist wie das System selbst, das sich also gleichzeitig an zwei Orten befindet.

Woraus besteht dieses System?

Das ist ein sogenannter mechanischer Resonator, der im Prinzip wie ein kleines Sprungbrett aufgebaut ist. Diese Vorrichtung ist ca. ein Zehntel Millimeter groß und darauf sitzt ein kleiner Spiegel. Je stärker man nun den Spiegel mit Photonen beschießt, desto stärker beugt sich das Sprungbrett. Aus Versuchen mit Photonen wissen wir bereits, dass man Überlagerungen zwischen zwei Zuständen herstellen kann, nämlich "keine Photonen" und "viele Photonen".

Wenn man diese Überlagerung auf den kleinen Spiegel richtet: Was heißt das für das Sprungbrett? Ihm bleibt nichts anderes übrig, als sich gleichzeitig zu beugen und nicht zu beugen. Das ist ganz analog zur Schrödinger'schen Katze, die ja auch tot und nicht tot ist.

Wie weit sind sie noch von der Umsetzung entfernt?

Es gibt noch verschiedene Hürden zu überwinden. Eine ist die Temperatur: Man muss das Sprungbrett zunächst einmal so weit abkühlen, dass es wirklich ruhig steht und empfindlich genug ist, um den Druck von einzelnen Photonen zu spüren. Bei unserem System müssen wir uns bis auf ein paar Millionstel Grad dem absoluten Nullpunkt annähern. So etwas erreicht man nicht mehr mit herkömmlichen Kühlgeräten. Zu diesem Zweck haben wir die erwähnte Laserkühlung entwickelt.

Wann wird das Experiment funktionieren?

Wir arbeiten hart daran. Ist heuer nicht Fußball-WM?

Ja.

Dann sollte es am besten vor der WM fertig werden (lacht). Nein, es ist noch nicht wirklich abzusehen...

Angenommen, das Experiment wäre bereits gelungen: Sehen könnte man das Sprungbrett im überlagerten Zustand dennoch nicht, oder? Denn "Sehen" hieße Austausch von Photonen – eine Störung, die die Überlagerung zerstören würde.

Richtig, das System zu sehen wäre eine Art Messung. Und Messungen stellen immer einen definitiven Zustand fest. Aber man kann sehr wohl Experimente machen, mit denen sich die Überlagerung nachweisen lässt.

Über viele Wiederholungen ein und desselben Experiments.

Ja, man weist das über die Statistik nach.

Das heißt, es ist immer nur ein indirekter Nachweis möglich.

Als Galileo zum ersten mal sein Teleskop aufgestellt hat und Mondkrater und Jupitermonde beobachtet hat, haben sich einige, auch sehr kluge Leute geweigert, durch dieses Teleskop zu sehen. Weil sie gemeint haben, dass jede Verwendung von Hilfsmitteln die Beobachtung verfälscht und daher kein Abbild der Realität sein kann.

Sie haben kürzlich eine Professur an der Uni Wien angenommen, obwohl sie auch Angebote aus Oxford und Calgary hatten. Was sprach für Wien?

Zum einen das Arbeitsumfeld: Die Quantenphysik in Wien und Innsbruck halte ich für einzigartig, das gibt es sonst nirgendwo. Zum zweiten ist auch die Förderungslandschaft für Grundlagenforschung in Österreich ausgezeichnet. Ich sehe hier ein enormes Entwicklungspotenzial.

Das überrascht insofern, als Großbritannien und die USA immer als Vorbilder in Sachen Naturwissenschaften dargestellt werden.

Dort gibt es zweifelsohne ausgezeichnete Bedingungen, aber der FWF ist meiner Ansicht nach deutlich flexibler als die Förderungsstellen in den angelsächsischen Ländern. Aber eines muss ich schon sagen: Die kürzlich losgetretene Diskussion über Grundlagenforschung versus angewandte Forschung hat mich schockiert. Wäre das früher passiert, wäre meine Entscheidung vielleicht anders ausgefallen.

Interview: Robert Czepel

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