Quantenexperiment Physiker klonen Schrödingers Katze

Sie ist eine Physiklegende: die zugleich tote und lebendige Katze aus dem Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger. Nun haben Forscher ein solch fiktives Tier perfekt geklont.
Zwei Schrödinger-Katzen - gekoppelt durch Verschränkung

Zwei Schrödinger-Katzen - gekoppelt durch Verschränkung

Foto: SPIEGEL ONLINE

Grumpy Cat, die grimmige Katze, gilt als der bekannteste Stubentiger der Neuzeit. Sogenannter Cat Content ist jedoch keinesfalls eine Erfindung sozialer Onlinenetzwerke. Vor mehr als 80 Jahren ersann der Physiker Erwin Schrödinger  eine nach ihm benannte Katze, die sich bis heute großer Popularität erfreut.

Physiker der Yale University in New Haven (USA) haben jetzt eine Schrödinger-Katze geklont. Wobei man sagen muss, dass die Katze nicht aus Fleisch und Blut, sondern in Wahrheit aus Photonen bestand. Man habe zwei solche Systeme quantenmechanisch miteinander verschränkt, berichten Robert Schoelkopf und seine Kollegen im Fachblatt "Science". Dies bedeutet, dass beide Systeme identische Eigenschaften hatten und aneinander gekoppelt waren.

Tot oder lebendig?

Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, das ein Paradoxon aus der Quantenmechanik auf die Spitze treibt. Eine Katze ist in einer Kiste eingesperrt - zusammen mit einem instabilen Atomkern, der innerhalb einer bestimmten Zeit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zerfällt. Sobald ein Geigerzähler den Zerfall misst, strömt Giftgas in der Kiste aus und tötet die Katze - siehe folgendes Video.

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Paradox ist die Situation deshalb, weil der zerfallende Atomkern gemäß den Gesetzen der Quantenphysik die Zustände "zerfallen" und "nicht zerfallen" annehmen kann - und zwar gleichzeitig! Man spricht auch von einer Superposition (=Überlagerung) der Zustände.

Was bedeutet das für die Katze? Sie wäre demnach zugleich tot und lebendig, was unserer alltäglichen Erfahrung widerspricht. Gewissheit über ihren Zustand bekommt man erst durch eine Beobachtung (=Messung). Dann entscheidet sich, ob sie noch lebt oder tot ist. Schrödingers Gedankenexperiment erscheint wie eine absurde, nutzlose Spielerei, doch es schärft den Blick darauf, was Quantenmechanik eigentlich ist.

Physiker haben derartige Systeme, die sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden, schon häufig im Labor erzeugt. Allerdings ohne Gift und Katze, sondern beispielsweise mit Photonen. Das Experiment der Yale-Forscher geht noch einen Schritt weiter, weil es zwei räumlich voneinander getrennte Schrödingersche Systeme miteinander verknüpft.

Einstein blieb skeptisch

Bei dieser sogenannten Verschränkung sind die Quantenzustände zweier Teilchen auch in großem Abstand voneinander identisch, so als stünden sie permanent in Verbindung. Man spricht auch von der Teleportation oder dem Beamen eines Teilchens, weil es eine perfekte Kopie davon an einem anderen Ort gibt. Albert Einstein verspottete das zu seiner Zeit nur in der Theorie existierende Phänomen einst als "spukhafte Fernwirkung".

Grumpy Cat mit Besitzerin (April 2014)

Grumpy Cat mit Besitzerin (April 2014)

Foto: FREDERIC J. BROWN/ AFP

Die Forscher der Yale University sprechen bei ihrem neuen Experiment von einer Schrödinger-Katze, die an zwei Stellen zugleich ist. Gerhard Kirchmair von der Universität Innsbruck sieht das etwas anders: "Es handelt sich im Grunde um zwei Schrödinger-Katzen, die in je einer Box leben und deren Schicksal miteinander verknüpft ist". Der Quantenphysiker hat selbst mehrere Jahre im Labor von Yale geforscht. Wenn die eine Katze lebe, lebe die andere auch. "Ist eine tot, gilt das genauso auch für die andere."

Die beiden Schrödinger-Systeme bestehen aus je einem kleinen, nur einen Kubikzentimeter großen Hohlraum-Resonator. Darin herrscht Vakuum, sieht man von den etwa 80 Photonen ab, die in der Kammer hin- und herfliegen. Sie stammen von einem Mikrowellen-Generator. Die Photonen erzeugen ein elektromagnetisches Feld und dieses hat zwei Zustände zugleich - das ist die quantenmechanische Superposition aus Schrödingers Gedankenexperiment.

Kopplung durch Quantenbit

Die Kammern sind auf 20 Milli-Kelvin gekühlt, nur minimal oberhalb des absoluten Nullpunkts der Temperaturskala. "Nur dann ist alles supraleitend", erklärt Kirchmair, das bedeute, dass der elektrische Widerstand Null sei. Und nur bei den extrem niedrigen Temperaturen blieben die im Experiment untersuchten Quanteneffekte lange erhalten.

Gekoppelt werden die beiden Hohlraum-Resonatoren mit einem sogenannten Quantenbit (Qubit ), ein Grundbaustein von Quantencomputern. Das Qubit besteht aus zwei dünnen, supraleitenden Aluminiumschichten mit einem Isolator dazwischen. "Zwischen den Aluminiumschichten fließt ein supraleitender Strom", erklärt der Innsbrucker Physiker.

Die daran beteiligten Elektronen wechselwirken mit dem elektromagnetischen Feld der Photonen in den beiden Resonatoren. "Die elektrischen Felder 'spüren' das Qubit", sagt Kirchmair. So entstehe die Verschränkung.

Das Experiment der Arbeitsgruppe von Schoelkopf fällt in den Bereich der Grundlagenforschung - aber es hat laut Kirchmair ein klares Ziel: "Letztlich geht es darum, einen Quantencomputer zu bauen."

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