Ein grundlegendes Problem der Quantenmechanik besteht darin, dass die Eigenschaften eines Systems nicht gemessen werden können, ohne dass die Messung das System verändert. Wer aber Bäume abholzen muss, um den Baumbestand eines Waldes zu bestimmen, kann damit auf die Dauer kaum zufrieden sein. Und so bemühen sich Wissenschaftler um Strategien, genaueres über ein System herauszufinden, ohne zu großen Einfluss zu nehmen.

Fluoreszenz bietet die Möglichkeit, durch Photonen etwas über die Zustände im Inneren eines einzelnen Atoms zu erfahren. Doch Wissenschaftler um Sébastien Gleyzes von der Ecole Normale Supérieure in Paris haben den Spieß jetzt umgedreht. Sie nutzten kleine Zustandsänderungen in Atomen, um ein einzelnes Photon zu beobachten, ohne es zu zerstören. Und damit nicht genug: Indem sie dies mehrmals schnell hintereinander wiederholten, konnten sie den kompletten Lebensweg des Photons dokumentierten.

Technisch birgt die Messung zwei konkrete Probleme. Zuallererst ist eine Methode nötig, um ein Photon gefangen zu setzen – es darf weder absorbiert werden noch in die Unendlichkeit des Weltalls entweichen. Dazu bauten die Forscher einen nahezu perfekt verspiegelten Hohlraum aus supraleitendem Niob. Heruntergekühlt auf weniger als ein Grad über dem absoluten Nullpunkt, hält dieser Resonator ein Photon im Schnitt etwas länger als eine Zehntelsekunde lang fest. Währenddessen legt das Photon im Inneren der Spiegelkammer ein Drittel der Distanz zum Mond zurück.

Die zweite Schwierigkeit besteht darin, eine nicht-absorbierende "Photonen-Sonde" zu verwenden. Dazu versetzten die Forscher Rubidium-Atome vor dem Eintritt in die Kammer in so genannte Rydberg-Zustände. Diese außergewöhnlichen Zustände machen die Atome extrem empfänglich für den Einfluss schwacher elektrischer Felder wie das eines Photons. Gleichzeitig stimmten Gleyzes und seine Kollegen den Versuchsaufbau so ab, dass die eingeschossenen Atome ein im Resonator herumschwirrendes Photon auf keinen Fall absorbieren konnten. Obwohl die Atome keine Energie vom Photon aufnehmen, verschiebt das Lichtquant die Energieniveaus der Atome geringfügig. Ob eine solche Verschiebung stattgefunden hatte, überprüfte ein Detektor am Ausgang der Kammer.

Indem die Forscher einen Strahl von etwa 900 Rydberg-Atomen pro Sekunde durch die Kammer schossen, konnten sie zum ersten Mal ein und dasselbe Photon über längere Zeit verfolgen. In einem Fall hielt sich ein Photon, das aus dem Nichts entstanden war, bis zu seinem Ende fast eine halbe Sekunde lang in der Spiegelkammer auf. Das Entstehen eines Photons aus Vakuum wurde schon vor fast hundert Jahren vorausgesagt, wurde aber erst jetzt direkt beobachtet.

Mit diesem Messaufbau ist das Team um Gleyzes endlich in der Lage, in die Kiste von Schrödingers Katze zu schauen. Das Gedankenexperiment Schrödingers beschreibt anhand einer Katze in einer Kiste, deren Leben an den Zerfall eines radioaktiven Teilchens gekoppelt ist, wie sich die quantenmechanisch erlaubte Überlagerung von Zuständen auf die menschliche Erfahrungswelt übertragen ließe: Solange die Kiste geschlossen ist, muss die Katze als lebendig und tot zugleich betrachtet werden. In späteren Variationen der Geschichte wurde die Katze zusätzlich beim Öffnen der Kiste getötet, um zu zeigen, wie die Messung den Messwert beeinflusst. In Paris haben nun die Wissenschaftler die Katze aus dem Sack – pardon – aus der Kiste gelassen, indem sie ein Photon beobachteten, ohne seinen Zustand zu verändern.