Quanten-Experiment: Freiheit für Schrödingers Katze

So genannte Katzen-Zustände könnten künftig dabei helfen, Quantennetzwerke aufzuspannen. Nun ist Physikern ein wichtiges Experiment auf dem Weg dorthin geglückt.

von Robert Gast

Tot oder lebendig? Im Fall von Schrödingers Katze lässt sich die Frage wahrlich nicht leicht beantworten. Physiker würden eine Antwort sogar gänzlich verweigern. Sie sprechen vielmehr davon, die Katze sei tot UND lebendig. Das kann in der uns vertrauten Alltagswelt bekanntlich nicht sein – und genau darauf wollte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger hinaus, als er sich 1935 sein mittlerweile berühmtes Gedankenexperiment ausdachte.

Denn im Mikroskosmos können Objekte sehr wohl mehrere Zustände auf einmal einnehmen. Ein Atomkern kann sich gleichzeitig nach links und nach rechts drehen. Erst bei der Messung dieses Spins durch einen Experimentator entscheidet sich, welche der Möglichkeiten Realität wird.

Die tot-lebendige Katze

Bei Dingen, die sehr viel größer sind als Atome, wirkt eine Überlagerung mehrerer Zustände hingegen absurd, weshalb Schrödinger mit dem ganzen Konzept haderte. Daher überlegte er in einem seiner Aufsätze, was wohl mit einer Katze passieren würde, die gemeinsam mit einer Giftampulle in einen Kasten gesperrt würde. Das tödliche Fläschchen bliebe so lange verschlossen, bis ein an die Öffnung gekoppelter, radioaktiver Atomkern zerfällt. Solch ein Zerfall findet zu einem zufälligen Zeitpunkt statt. Gleichzeitig ist er so klein, dass er eindeutig den Regeln der Quantenphysik gehorcht.

Der Atomkern verharrt also so lange in der Überlagerung der Zustände »zerfallen« und »nicht zerfallen«, bis jemand die Box öffnet und nachschaut. Erst dann entscheidet sich die Natur für eine der Möglichkeiten. Damit ist aber, solange die Box verschlossen bleibt, auch die Katze sowohl tot als auch lebendig. Von außen kann man nach einer bestimmten Zeitspanne nur auf Basis von Wahrscheinlichkeiten wetten, wie es im Inneren aussieht. Im Labor umsetzen lässt sich das Experiment leider nicht wirklich. So wurde Schrödingers Katze mit den Jahren zu einem instruktiven Beispiel für Physikstudenten und interessierte Laien.

Ein Schrödinger-Katzen-System

In den vergangenen Jahrzehnten ist es Physikern aber gelungen, Miniaturvarianten im Labor zu verwirklichen, allerdings ohne irgendwelche Tiere. Vielmehr dachten sich die Forscher Laborexperimente aus, in denen sich die Überlagerungszustände von Quantenobjekten in klar unterscheidbare Signale für die Alltagswelt übertragen lassen. So gelang es etwa dem späteren Nobelpreisträger David Wineland, einzelne dem Zufallscharakter der Quantenphysik unterliegende Atomrümpfe an makroskopisch auslesbare Vibrationen zu koppeln.

Das Garchinger Experiment | Ein Atom zwischen zwei Spiegeln verharrt in einer Überlagerung zweier Zustände (links). Verschränkt man eine Lichtwelle mit dem Atom, übernimmt sie gewissermaßen die Unbestimmtheit und trägt diese anschließend als überlagerten »Katzenzustand« durch den Raum (rechts).

Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben nun eine neue Variante solch eines Schrödinger-Katzen-Systems entwickelt: Dabei übernimmt die Schwingungsphase eines Laserstrahls den Part des makroskopischen Katzen-Zustands, sie kann entweder den Wert 0 oder den Wert Pi haben.

Die Lichtteilchen des Strahls werden anschließend mit einem Rubidiumatom verschränkt, das in einer speziellen, 0,5 Millimeter großen Hohlraumkammer schwebt, berichten die Physiker im Fachmagazin »Nature Photonics«. Das Atom kann dabei zwei unterschiedliche Energieniveaus einnehmen. Je nach Zustand wird das Licht entweder an der Außenwand des Hohlraums reflektiert. Oder aber es dringt in den Hohlraum ein, wird in diesem hin und her geworfen und schließlich wieder nach draußen reflektiert, was allerdings mit einer Verschiebung der Schwingungsphase einhergeht.

Was sich kompliziert anhört, entspricht im Grunde genau der Situation in Schrödingers berühmtem Gedankenexperiment: Solange das Rubidiumatom – in Analogie zu dem radioaktiven Atomkern an der Öffnung der Giftflasche – innerhalb des Hohlraums in einer Überlagerung der beiden Zustände verharrt, ist die Lichtwelle – als Analogon zur Katze – sowohl phasenverschoben als auch nichtphasenverschoben.

Das erreicht nicht ganz die Bedeutung der Frage »tot« oder »lebendig«. Es könnte aber künftig ein hilfreicher Kniff beim Betrieb futuristischer Quantennetzwerke sein, schreiben die Wissenschaftler. Denn wenn eine Lichtwelle in den Hohlraum mit dem Atom einfällt, übernimmt es unter bestimmten Umständen dessen Überlagerungseigenschaften. Anschließend muss Schrödingers Katze nicht in der Box bleiben, sondern kann in Form des überlagerten Lichtpulses frei durch die Luft fliegen.