Fette Quanten-Katzen

Man muss kein Quantenphysiker sein, um schon einmal von Schrödingers berühmter Katze gehört zu haben. Erwin Schrödinger erfand die Katze, die zugleich lebendig und tot sein kann, in einem Gedankenexperiment im Jahr 1935. Der offensichtliche Widerspruch – schliesslich sehen wir im täglichen Leben nur Katzen, die entweder lebendig oder tot sind – hat Wissenschaftler:innen dazu getrieben zu versuchen, analoge Situationen im Labor nachzustellen. Bis jetzt haben sie dies beispielsweise mit Atomen oder Molekülen in quantenmechanischen Überlagerungszuständen geschafft, bei denen sich die Teilchen an zwei Orten zugleich befinden.

An der ETH hat nun ein Forschungsteam unter der Leitung von Yiwen Chu, Professorin am Laboratorium für Festkörperphysik, einen kleinen Kristall in eine Überlagerung zweier Schwingungszustände versetzt und somit eine bedeutend schwerere Schrödinger-Katze hergestellt. Die Ergebnisse des Teams, welche diese Woche im Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht wurden, könnten zu robusteren Quanten-Bits führen und Licht auf das Rätsel werfen, warum Quantenüberlagerungen nicht in der makroskopischen Welt beobachtet werden.

Katze in der Kiste

In Schrödingers ursprünglichem Gedankenexperiment ist eine Katze zusammen mit einer radioaktiven Substanz, einem Geigerzähler und einem Fläschchen Gift in einer Metallkiste eingesperrt. In einem bestimmten Zeitraum – zum Beispiel einer Stunde – kann ein Atom in der Substanz durch einen quantenmechanischen Prozess zerfallen oder auch nicht. Die Zerfallsprpodukte würden den Geigerzähler auslösen und über einen Mechanismus das Giftfläschchen zertrümmern, wodurch letztendlich die Katze getötet würde. Da ein Beobachter von aussen nicht wissen kann, ob das Atom tatsächlich zerfallen ist, weiss er oder sie auch nicht, ob die Katze lebendig oder tot ist – nach der Quantenmechanik, die den Zerfall des Atoms bestimmt, sollte sie sich in einem lebendig/tot-Überlagerungszustand befinden. (Vor Schrödingers ehemaligem Wohnhaus in der Huttenstrasse 9 in Zürich erinnert eine lebensgrosse Katzenfigur an diese Idee).

«Natürlich können wir im Labor kein solches Experiment mit einer mehrere Kilogramm schweren, echten Katze realisieren», sagt Chu. Stattdessen ist es ihr und ihren Mitarbeitenden gelungen, einen sogenannten Katzen-Zustand herzustellen mit einem schwingenden Kristall, der die Katze darstellt, und einem supraleitenden Schaltkreis, der die Rolle des ursprünglichen Atoms übernimmt. Der Schaltkreis ist im Wesentlichen ein Quanten-Bit oder Qubit, das die logischen Zustände «0» oder «1» annehmen kann oder eine Überlagerung, «0+1», beider Zustände. Die Verbindung zwischen dem Qubit und der Kristall-«Katze» ist kein Geigerzähler und Gift, sondern eine Schicht aus piezoelektrischem Material, das ein elektrisches Feld erzeugt, wenn der Kristall während der Schwingungen seine Form ändert. Dieses elektrische Feld kann an das elektrische Feld des Qubits gekoppelt werden, wodurch der Überlagerungszustand des Qubits auf den Kristall übertragen werden kann.

Gleichzeitige Schwingungen in entgegengesetzte Richtungen

Das führt dazu, dass der Kristall nun gleichzeitig in zwei Richtungen schwingen kann – zum Beispiel hoch/runter und runter/hoch. Diese beiden Richtungen stehen für die Zustände «lebendig» oder «tot» der Katze. «Indem wir die zwei Schwingungszustände des Kristalls in eine Überlagerung versetzt haben, haben wir effektiv eine Schrödinger-Katze hergestellt, die 16 Mikrogramm wiegt», erklärt Chu. Das ist in etwa die Masse eines feinen Sandkorns und weit entfernt von der einer Katze, aber dennoch mehrere Milliarden Mal schwerer als ein Atom oder Molekül und damit die bislang fetteste Quanten-Katze.

Damit die Schwingungszustände als wirkliche Katzen-Zustände gelten können, ist es wichtig, dass sie makroskopisch unterscheidbar sind. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den «hoch» und «runter»-Zuständen grösser sein sollte als thermische oder quantenmechanische Fluktuationen der Positionen der Atome im Kristall. Chu und ihre Kolleg:innen überprüften dies, indem sie den räumlichen Abstand der beiden Zustände mit Hilfe des Qubits massen. Obwohl der gemessene Abstand nur ein Milliardstel eines Milliardstel Meters betrug und damit kleiner als ein Atom war, genügte er dennoch, um die Zustände deutlich voneinander zu unterscheiden.

Messung kleiner Störungen mit Katzen-Zuständen

In Zukunft möchte Chu das Massenlimit ihrer Kristall-Katzen weiter nach oben schrauben. «Dies ist deshalb interessant, weil es uns erlaubt, die Gründe für das Verschwinden von Quanteneffekten in der makroskopischen Welt echter Katzen besser zu verstehen», sagt sie. Über dieses eher akademische Interesse hinaus gibt es aber auch mögliche Anwendungen in Quantentechnologien. So könnte etwa in Qubits gespeicherte Quanteninformation robuster gemacht werden, indem man anstelle der bislang verwendeten einzelnen Atome oder Ionen Katzen-Zustände benutzt, die aus einer riesigen Zahl an Atomen in einem Kristall bestehen. Ausserdem liesse sich die extreme Empfindlichkeit von schweren Objekten in Überlagerungszuständen gegenüber äusseren Einflüssen für genauere Messungen von kleinen Störungen, wie etwa Gravitationswellen, oder zum Nachweis von dunkler Materie nutzen.