Gequetschte Quanten-Katzen

  • 20. May 2015

Mit Laser manipulierte Quantensysteme könnten für zukünftige Technologien äußerst nützlich sein.

Ähnlich verblüffend wie Schrödingers Katze sind die etwas weniger bekannten, gequetschten Quantenzustände: Normalerweise kann man, nach der Heisenbergschen Unschärferelation, bestimmte Paare von physikalischen Messgrössen – beispielsweise den Ort und die Geschwindigkeit eines Quantenteilchens – nicht beliebig genau bestimmen. Allerdings lässt die Natur hier einen Tauschhandel zu: Präpariert man das Teilchen entsprechend, so lässt sich eine der Größen etwas exakter messen, wenn man dafür eine ungenauere Kenntnis der anderen Grösse in Kauf nimmt. Das Präparieren wird in diesem Fall quetschen genannt, weil es die Unschärfe der einen Messgröße verkleinert. ETH-Forschern ist es nun gelungen, die beiden Phänomene in einem Experiment zu vereinen.

In ihrem Labor fingen Jonathan Home, Professor für experimentelle Quantenoptik und Photonik, und seine Kollegen dazu ein einzelnes elektrisch geladenes Kalzium-Ion in einem winzigen Käfig aus elektrischen Feldern ein. Mit Hilfe von Laserstrahlen kühlen sie es soweit ab, bis es sich im Käfig nur noch minimal bewegte. Dann folgte ein Griff in die Trickkiste: Die Forscher quetschten den Bewegungszustand des Ions, indem sie es mit Laserlicht beschossen und dabei geschickt den spontanen Zerfall seiner Energiezustände ausnutzten. Am Ende ist die Wellenfunktion des Ions buchstäblich gestaucht: Die Physiker wissen jetzt genauer, wo sich das Ion räumlich befindet, dafür hat die Unschärfe in seiner Geschwindigkeit entsprechend zugenommen. „Diese Zustandsquetschung ist ein wichtiges Werkzeug für uns“, erklärt Home. „Zusammen mit einem zweiten Werkzeug – den zustandsabhängigen Kräften – können wir eine ‚gequetschte Schrödinger-Katze’ herstellen.“

Dazu wird das Ion wiederum Laserstrahlen ausgesetzt, die es nach links oder rechts verschieben. Die Richtung der vom Laser erzeugten Kräfte hängt davon ab, in welchem inneren Energiezustand sich das Ion befindet. Diesen kann man als nach oben oder unten zeigenden Spin abbilden. Ist das Ion in einem Energie-Überlagerungszustand aus Spin oben und Spin unten, so wirkt die Kraft sowohl nach rechts als auch nach links. Auf diese Weise ergibt sich eine besondere Situation, die Schrödingers Katze ähnelt: Das Ion befindet sich in einem Zwitter-Zustand, nämlich zugleich „rechts“ und „links“. Erst wenn man den Spin misst, entscheidet sich, ob das Ion rechts oder links ist.

Das Besondere an der Schrödinger-Katze von Home und seinen Mitarbeitern ist, dass sich durch die anfängliche Quetschung die Ionen-Zustände „rechts“ und „links“ besonders leicht unterscheiden lassen. Zugleich ist die Katze recht groß, da die Ionen- Zustände weit voneinander entfernt sind. „Selbst ohne die Quetschung ist unsere ‚Katze‛ die größte, die bislang hergestellt wurde“, unterstreicht Home. „Mit der Quetschung sind die Zustände „rechts“ und „links“ noch besser unterscheidbar – sie sind ganze sechzigmal schmaler als der Abstand zwischen ihnen.“

Dabei geht es freilich nicht bloß um wissenschaftliche Rekorde, sondern auch um praktische Anwendungen. Gequetschte Schrödinger-Katzen sind nämlich extrem stabil gegenüber bestimmten Störungen, die normalerweise dazu führen, dass aus ihnen ganz normale „Katzen“ ohne Quanteneigenschaften werden. Diese Stabilität ließe sich etwa zur Realisierung von Quantencomputern ausnutzen, die mit Quanten-Überlagerungen rechnen. Auch ultra-präzise Messungen könnten so unempfindlicher gegen unerwünschte äußere Einflüsse werden.

ETHZ / OD

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