Es ist die zentrale Herausforderung beim Bau von Quantencomputern: Die Recheneinheiten, so genannte Qubits, müssen ihre »Quantenhaftigkeit« behalten. Damit ist gemeint, dass die Objekte ein quantenmechanisches Verhalten zeigen – also mal Welle und mal Teilchen sind. Sie können dann gleichzeitig verschiedene Zustände einnehmen (»Überlagerung«) oder über weite Distanzen hinweg auf magisch erscheinende Weise miteinander verbunden sein (»Verschränkung«). Allerdings ist quantenhaftes Verhalten äußerst störanfällig. Sobald ein Qubit mit seiner Umgebung wechselwirkt, verliert es seine besonderen Merkmale und wird zu einem vertrauten klassischen Objekt ohne erkennbare Überlagerungen oder Verschränkungen.

Aber wie stellt man fest, ob ein Teilchen Quanteneigenschaften besitzt oder nicht? Physiker um Patryk Lipka-Bartosik von der Université de Genève haben nun eine außergewöhnliche Methode dafür beschrieben. Ihren Berechnungen zufolge hinterlässt die Quantenhaftigkeit eines Objekts gewisse Spuren in seinem thermodynamischen Verhalten. Ein Quantensystem kann beispielsweise Wärme deutlich schneller leiten als ein klassisches. »Dies ist ein neuartiger Ansatz zum Nachweis von Quantenmerkmalen durch Wärmeaustausch während eines thermodynamischen Prozesses«, schreiben die Forscher in ihrer im August 2024 erschienenen, noch nicht begutachteten Arbeit.

Dafür untersuchten die Physiker zunächst ein Teilchenpaar, das miteinander verschränkt ist, sowie ein gewöhnliches Teilchenpaar. Der Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass sich das verschränkte Paar durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschreiben lässt – und nicht durch zwei separate. Bringt man die beiden Paare jeweils mit einer wärmeren oder kälteren Umgebung in Kontakt, kommt es zum Wärmeaustausch. Wie sich herausstellt, kann das verschränkte Duo dabei »überraschenderweise Wärmeströme erzeugen, welche die Grenzen des klassischen Wärmeaustauschs überschreiten«, wie die Fachleute erläutern. Falls ein System also Wärme besonders schnell überträgt, ist es demnach quantenhaft.

»Das könnte zu einem Thermometer führen, das nicht nur die Temperatur misst, sondern auch Informationen über das Quantensystem preisgibt«Gerardo Adesso, Physiker

Als Nächstes haben die Forscher untersucht, wie sich eine zweite fundamentale Quanteneigenschaft von Teilchen bei thermodynamischen Prozessen bemerkbar macht: die so genannte Kohärenz. Diese gibt gewissermaßen an, wie stark der wellenartige Charakter eines Teilchens ausgeprägt ist. Lipka-Bartosik und sein Team verglichen dafür ein kohärentes Quantenteilchen mit einem kaum kohärenten klassischen Partikel, das sich wie ein punktförmiges Objekt verhält. Auch hier zeigten sich deutliche Unterschiede beim Wärmeaustausch: Wieder war das Quantenteilchen in der Lage, Wärme viel schneller zu übertragen.

Selbst wenn die Forscher sehr spezifische Situationen untersucht haben, betonen sie, dass sich ihre Methoden verallgemeinern und daher auch auf andere, komplexere Systeme übertragen lassen. »Das könnte zu konkreten Anwendungen führen, etwa zu intelligenten Thermometern, die nicht nur die Temperatur oder die abgegebene Wärme messen, sondern zudem strukturelle Informationen über das Quantensystem preisgeben«, sagte der Physiker Gerardo Adesso von der University of Nottingham, der nicht an der Arbeit beteiligt war, gegenüber der Zeitschrift »New Scientist«.