Quantenphysik erweckt Schrödingers Katze zum Leben (oder auch nicht)

Das berühmte Gedankenexperiment um Schrödingers Stubentiger verdeutlichte, wie schwierig es ist, Quantentheorie auf das echte Leben anzuwenden. Doch Photonen verhalten sich anders als Katzen, denn nach dem Superpositionsprinzip können sie sich gleichzeitig in jedem Zustand und an jedem Ort befinden. Sie unterliegen nicht einmal der Gesetzmäßigkeit von Ursache und Wirkung, nach der Ereignisse sich gegenseitig bedingen und in einer bestimmten Ordnung aufeinanderfolgen.

Jetzt haben EU-geförderte Physiker an der Universität Wien eine neue Möglichkeit gefunden, diese kausal unbestimmte Ordnung zu „beobachten“, und veranschaulichen ihr Experiment am Beispiel einer fiktiven Läuferin namens Alice, die einen Wettlauf gleichzeitig gewinnt und verliert. Philip Walther und die anderen Wissenschaftler des Projekts EQUAM (Emulators of Quantum Frustrated Magnetism) sind der Ansicht, dass im Computer- und Kommunikationswesen gewaltige Fortschritte erzielt werden könnten, wenn sich diese kausale Ordnung durcheinanderbringen ließe.

Wir haben einen (kausalen) Zeugen!

Das Problem mit der Superposition besteht darin, dass sie kollabiert, sobald sie „gesehen“ oder gemessen wird. Ein Quantenteilchen, das bis dahin alle Zustände gleichzeitig aufwies, nimmt in dann einen definitiven Zustand an. Anders gesagt: Wird die Schrödingers Kiste geöffnet, bricht das Experiment in sich zusammen. Wissenschaftler, die die Abwesenheit einer kausalen Ordnung nachweisen wollten, mussten dies daher aus dem Erfolg eines Algorithmus ableiten und konnten keine direkten Messungen anstellen. Doch das EQUAM-Team konnte noch eine dritte Möglichkeit finden.

Unter Anwendung eines theoretischen mathematischen Konzepts namens „Kausaler Zeuge“, das von der Gruppe um Časlav Brukner an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde, konnten Philip Walther und sein Team erstmals zeigen, dass ein Quantenprozess keine kausale Ordnung aufwies.

Ein bedeutender Schritt vorwärts

In ihrem Experiment teilten die Wissenschaftler einen Lichtstrahl mit einem optischen Gerät in zwei auf und machten sich daran, die Reihenfolge zu verändern, in der sich die Photonen in die verschiedenen Richtungen bewegten. Um diesen instabilen Prozess nicht zu stören, erstellten sie ein weiteres Quantensystem, mit dem passierende Photonen erkannt werden sollten. Mit dem Kausalen Zeugen wurde dieses zweite Quantensystem beobachtet, ohne die Superposition zusammenbrechen zu lassen.

Auf diese Weise konnte bestätigt werden, dass die Photonen beide Quantenoperationen gleichzeitig in zwei Reihenfolgen durchliefen. Anders ausgedrückt konnten sie „sehen“, wie Alice ihren Wettlauf gleichzeitig gewann und verlor, und messen, im welchem Maß diese beiden Situationen miteinander superponierten. „Unser Versuch bedeutet für unseren Forschungsbereich einen bedeutenden Schritt vorwärts, da er zeigt, wie Informationen über diese Vorgänge gewonnen werden können, ohne die Quantenprozesse zu stören“, sagte Giulia Rubino, die leitende Autorin der Studie.

Es gibt bereits zahlreiche Untersuchungen zur Rolle kausaler Zusammenhänge, doch die EQUAM-Forscher haben die Theorie in einem Versuch umgesetzt. Das nächste Ziel der Gruppe besteht nun darin, Superpositionen komplexerer Prozesse zu erreichen, um mehr über Kausalzusammenhänge in Erfahrung zu bringen.

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