Gleichzeitig tot und lebendig sein, geht das? Selbst wenn es jedem herkömmlichen menschlichen Verständnis widerspricht, im Fall von Schrödingers Katze geht es durchaus – wenn auch nur theoretisch. Der Wiener Physiker Erwin Schrödinger (1887-1961) erdachte bereits 1935 folgendes Quantenphysik-Paradoxon: Vereinfacht gesagt könnte eine Katze durch eine Vermischung, beziehungsweise Überlagerung von toten und lebendigen Teilen gleichzeitig tot und lebendig sein – ein Gedankenspiel, das Forscher seitdem beschäftigt hat.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Gerhard Rempe, Direktor der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, ist der Frage, wie sich solche Überlagerungszustände experimentell realisieren lassen, nun auf den Grund gegangen. Die Wissenschaftler haben das Experiment allerdings nicht mit einer Katze, sondern optisch im Labor umgesetzt, indem die Katze durch Lichtpulse dargestellt wurde. Die Erkenntnisse würden helfen, Lichtzustände besser kontrollieren, um sie in Zukunft für die Quantenkommunikation nutzen zu können, sagen die Forscher.

„Nach Erwin Schrödingers Idee kann ein mikroskopisches Teilchen, wie zum Beispiel ein Atom, sich gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Zuständen befinden. Man spricht dann von Überlagerung“, erklärt Professor Gerhard Rempe. „Wenn es zudem mit einem makroskopischen Objekt verschränkt wird, kann es seine Überlagerung auch an dieses weitergeben. Daraus ergibt sich das Beispiel von einer Katze, die in Abhängigkeit vom Zerfall eines radioaktiven Atoms zugleich lebendig und tot sein kann – eine Vorstellung, die jeglicher Alltagserfahrung widerspricht.“

Schrödingers Katze

© Bastian Hacker, Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ)

Das Labor des Max-Planck-Instituts verfügt neben einem optischen Resonator, dessen zwei Spiegel ein winziger Spalt von 0,5 Millimeter trennt, auch über eine Vakuumkammer und hochgenaue Laser, mit deren Hilfe die Wissenschaftler ein einzelnes Atom isolieren können. Laserlicht tritt durch eine Reflektion am Resonator mit einem darin gefangenen Atom in Wechselwirkung und übernimmt dessen Überlagerungseigenschaften. Dadurch entsteht zunächst ein verschränkter Zustand zwischen dem Atom und dem davonfliegenden Lichtpuls, eine Messung am Atom bringt daraufhin den Lichtpuls in einen überlagerten Zustand.

Ganz überzeugt, dass dieses Experiment auch gelingen würde und ob sich diese quantenmechanisch überlagerten „Katzenzustände“ mit der aktuellen Technik bereits eindeutig herstellen und nachweisen ließen, waren die Wissenschaftler nicht. Erst die Reduktion aller optischen Verluste in der Messapparatur habe schließlich den Durchbruch gebracht und die Messungen hätten schließlich auch die Vorhersagen Schrödingers bestätigt.

Die Katze ist aus der Kiste

„Eine Besonderheit des Experiments ist, dass die verschränkten Zustände deterministisch erzeugt werden können. Das bedeutet, dass bei jedem einzelnen Versuch auch ein Katzenzustand entsteht“, erklären die Forscher. „Es ist uns gelungen, fliegende optische Katzenzustände herzustellen und zu zeigen, dass sie den Vorhersagen der Quantenmechanik entsprechen. Wir konnten somit beweisen, dass unsere Methode funktioniert und weiterhin untersuchen, welche Parameter entscheidend sind“, fasst der Doktorand Stephan Welte zusammen.

Die „fliegenden Katzenzustände“ erklären die Wissenschaftler anhand der beiden Abbildungen: „In Abb. 1 ist zu sehen, dass Schrödingers Katze mit einem Atom verschränkt ist. Ist das Atom angeregt, so lebt die Katze. Ist es zerfallen, so ist die Katze tot. Da sich ein mikroskopisches Teilchen wie ein Atom gleichzeitig in zwei Zuständen befinden kann, gilt das auch für die Katze.“

„Im Experiment bildet ein Lichtpuls die beiden Zustände nach (siehe Hügel in Abb. 1) und kann sich wie die Katze von Schrödinger in einer Überlagerung aus beiden befinden. Konkret wird dabei – wie in der Abb. 2 zu sehen – ein Atom im Resonator zwischen zwei Spiegeln gefangen (links). Ein Lichtpuls, der am Resonator reflektiert wird, ist daraufhin mit dem Atom verschränkt und kann als überlagerter optischer Katzenzustand frei fliegen (rechts).“

Genauer gesagt seien fliegende optische Katzen Überlagerungen von zwei Lichtzuständen unterschiedlicher Phase. „Es stellt sich heraus, dass man mit diesen Lichtzuständen auch Information kodieren kann und zwar in Form eines sogenannten Qubits. Ein Qubit ist das quantenmechanische Analogon zu einem klassischen Bit. Da das Qubit in unserem Fall mit Lichtzuständen kodiert ist, kann man es einfach wie einen Lichtpuls durch eine Glasfaser von einem Sender zu einem Empfänger schicken und somit Information übertragen.“

In dem Experiment könne man „nicht nur einen bestimmten Katzenzustand herstellen, sondern beliebig viele mit unterschiedlichen Phasen der Überlagerung – also quasi einen ganzen Zoo“, fügt der Doktorand Bastian Hacker hinzu. Das könnte in Zukunft genutzt werden, um Quanteninformation zu kodieren.

Und noch einen Unterschied zum Gedankenexperiment Schrödingers gab es bei dem jüngsten Experiment. „Schrödingers Katze war ursprünglich in eine Kiste eingesperrt, um Wechselwirkungen mit der Umgebung auszuschließen. Optische Katzenzustände, wie wir sie realisiert haben, sind nicht in eine Kiste eingesperrt, sondern fliegen frei“, verdeutlicht Gerhard Rempe die Bedeutung der Forschungsleistung. „Trotzdem bleiben sie von ihrer Umgebung isoliert und können somit über weite Distanzen aufrecht erhalten bleiben.“

Für die weitere Forschung bedeutet dieses erfolgreiche Experiment, dass die Wissenschaft nicht nur dass man „über eine alte philosophische Fragestellung von Erwin Schrödinger Klarheit gewinnen konnte“, betonen die Forscher. „Auch haben wir uns erfolgreich eine neue Möglichkeit erschlossen, Lichtzustände zu kontrollieren, was bisher nur sehr beschränkt möglich ist. Auf Basis der Ergebnisse dieses Experiments können wir den Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik immer weiter testen und neue Techniken für die Quantenkommunikation entwickeln.“

Titelbild:
© Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich (NIM)