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Quantenphysik: Schrödingers Katze aus 20 Qubits

Physiker haben 20 Atome in eine besonders tief greifende Form der »Verschränkung« versetzt. Die Technik soll dabei helfen, im Bereich der Quantentechnologien voranzukommen.
Quantencomputer (Illustration)Laden...

Ein internationales Team von Quantenphysikern hat 20 ultrakalte Atome auf besonders intensive Weise miteinander verschränkt. Mit Hilfe geschickt eingesetzter Laser brachten die Forscher das Atom-Ensemble in einen so genannten Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand, eine Art Goldstandard auf dem Gebiet der Quantentechnologien. In ihm sind sämtliche Atome miteinander verschränkt, gleichzeitig verharrt jedes der Partikel in einer Überlagerung zweier Zustände.

Physiker nennen eine solche kollektive Kopplung von Quantenobjekten auch »Katzenzustand«, in Anlehnung an das berühmte Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger. Er stellte sich in den 1930er Jahren eine Katze vor, die jemand zusammen mit einer Giftampulle in eine Box gesteckt hat. Dabei öffnet sich der Deckel des tödlichen Fläschchens nur dann, wenn ein daran angebrachter Atomkern zerfällt.

Ob der radioaktive Zerfall zu einem bestimmten Zeitpunkt stattgefunden hat, bestimmen die Gesetze der Quantenphysik. Sie geben für alle Ereignisse im Mikrokosmos nur Wahrscheinlichkeiten an. Ob diese auch eintreten, entscheidet sich erst, wenn ein Experimentator nachschaut oder das Quantenobjekt mit der Umwelt in Kontakt kommt. Bis dahin verharrt die Natur in einer Überlagerung aller denkbarer Möglichkeiten.

Atomkette im sogenannten Rydberg-Zustand (Illustration)Laden...
Quantenexperiment | Rubidiumatome werden von Laserstrahlen (rot) fixiert, ein anderer Laser (blau) versetzt sie in einen angeregten Zustand. Die Atomhüllen überlappen daraufhin, so dass das Ensemble in einen Zustand kollektiver Verschränkung übergeht.

Schrödinger wollte mit seiner Katze veranschaulichen, dass diese Sichtweise zu Widersprüchen mit dem gesunden Menschenverstand führt. Schließlich wäre die Katze sowohl tot als auch lebendig, bis jemand die Box öffnet. Erst dann muss sich der Atomkern entscheiden, ob er zerfallen ist oder nicht.

Im Quantenreich ist diese Gleichzeitigkeit Alltag, wie etliche Experimente bewiesen haben. Forscher wollen die Besonderheit des Mikrokosmos in Zukunft nutzen, um neuartige Computer zu bauen. Diese könnten ausgewählte Aufgaben schneller ausführen als klassische Rechner. Dazu muss man jedoch eine große Anzahl von »Quanten-Bits« erschaffen – Quantenobjekte, die in einer Überlagerung zweier Zustände verharren.

Hat man viele solcher Qubits zur Hand, muss man sie auch noch koppeln. Nur in diesem Fall können sie sich bei Rechnungen in einem Quantencomputer Gewinn bringend gegenseitig beeinflussen, sie wirken dann gewissermaßen als extrem leistungsfähiges Quanten-Kollektiv. Besonders erstrebenswert ist hier eine Variante, welche Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger 1989 entdeckten: Die nach ihnen benannte Form von kollektiver Verschränkung gilt als besonders tief greifend.

Es ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung, mehrere Quantenobjekte in einen Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand zu versetzen. Bereits winzige Störungen machen die Verschränkung zwischen den Qubits zunichte, weshalb eine extrem gute Kontrolle des Mikrokosmos nötig ist.

Das Team um Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich näherte sich dem Problem nun mit Rubidiumatomen, die mit Laserstrahlen in einer Reihe fixiert werden. Ein weiterer Laser versetzte die Atome nach und nach in stark angeregte Energieniveaus, wie die Forscher in »Science« berichten. Dadurch überlappten die Hüllen der Atome, was diese miteinander verschränkte.

Indem das Team den zweiten Laser geschickt programmierte, lief das schrittweise Prozedere deutlich schneller ab als in früheren Versuchen. Auf diese Weise ließ sich der begehrte Kollektivzustand einrichten, ehe die Verschränkung im Kontakt mit der Umwelt wieder verloren ging. Ein ähnliches Kunststück gelang unlängst auch einer chinesischen Forschergruppe. Statt ultrakalter Atome nutzte sie jedoch supraleitende Kontakte auf einem Mikrochip.

33/2019

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2019

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