Tot oder lebendig hoch zwei: Physiker klonen Schrödingers Katze

Ist sie tot oder lebendig oder beides? Schrödingers Katze stellt nicht nur unsere klassische Wahrnehmung vor ungewohnte Herausforderungen, sie beschreibt vor allem anschaulich die Superposition als eine wichtige Grundlage der Quantenphysik. Die Quantensuperposition bedeutet, dass ein Element zur gleichen Zeit zwei unterschiedliche Zustände annehmen kann. Die Frage nach tot oder lebendig wird demzufolge ihrer Binarität beraubt.

Nachdem sich die Menschheit nun 80 Jahre an dem bizarren Gedankenspiel abarbeiten konnte, haben Physiker der Universität Yale die Katze nun auf eine neue Bewusstseinsstufe gehoben. In ihrer Studie zeigen die Wissenschaftler, dass die Katze nicht nur einen doppelten Daseinszustand einnehmen, sondern sich sogar gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten befinden kann.

Das Gedankenexperiment von Schrödigers Katze ist ein im Jahr 1935 von Erwin Schrödinger entwickeltes Paradoxon: Eine Katze ist in einer Kiste eingesperrt und wird mittels quantenphysikalischer Annahmen in einen Zwischenzustand zwischen Leben und Tod befördert: In der fiktiven Kiste befindet sich nämlich ein Mechanismus, der nach dem Zerfall eines radioaktiven Atomkerns ein Giftgas freisetzt. Dieser Zerfall findet mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent innerhalb einer Stunde statt, woraufhin das Gas ausströmt und die Katze tötet.

Da in die Kiste nicht hineingesehen werden kann, befindet sich das Tier nach Ablauf der 60 Minuten in einem Mischzustand, indem es nach den Regeln der Quantenmechanik sowohl lebendig als auch tot ist. In diesem Zwischenstadium verweilt die Katze solange, bis die Kiste geöffnet wird.

Die Yale-Forschungsgruppe um den Physiker Chen Wang holte sich das Gedankenexperiment nun ins Labor und stellte mit Photonen einen quantenverschränkten Zustand her. In solch einem Zustand stehen zwei räumlich voneinander entfernte Teilchen in ihren Quantenzuständen miteinander auf wundersame Weise in Verbindung und verhalten sich identisch. Wäre die Katze also in der einen Kiste lebendig, wäre sie das in der anderen ebenfalls.

„Wir zeigen eine Analogie zu Schrödingers Katze, die aus einem elektromagnetischen Feld mit zwei Hohlräumen besteht", so Wang. „Das Interessante dabei ist, dass sich die Katze in zwei Kisten gleichzeitig befindet."

Der Versuchsaufbau für das Experiment mit der Doppelkatze besteht aus zwei Aluminiumhohlräumen von 2,5 Zentimetern Durchmesser, in denen ein Vakuum herrscht. In diesem Vakuum fliegen 80 Photonen hin und her. Nun wird in diesen beiden Hohlräumen eine stehende Lichtwelle aus zwei sich überlagernden Wellenlängen erzeugt, während sie mittels eines supraleitenden künstlichen Atoms miteinander verbunden sind. Im Ergebnis begannen die Photonen in den beiden Kästchen in zwei unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig zu schwingen.

Erstaunlicherweise blieben die Photonen in den beiden Kästchen auch dann noch gekoppelt, als die Verbindung unterbrochen worden war. Daraus lässt sich schließen, dass sich nicht zwei einzelne „Katzen" in den Behältnissen befinden, sondern nur eine einzige. Der Inhalt der Boxen ist untrennbar miteinander verbunden, es ist ein quantenverschränkter Zustand mit einer teleportierten Katze.

Die neuen Erkenntnisse sind nicht nur eine Weiterentwicklung des Schrödinger Experiments, sondern haben auch eine andere grundlegende Bedeutung. Die Forschung Wangs liefert neue Erkenntnisse über das Verhalten der kleinsten Bestandteile des Universums, welche als Grundlange für die Entwicklung von Quantencomputern dienen können, die bisher unlösbare Rechenprobleme entschlüsseln können.

„Es hat sich herausgestellt, dass „Katzen-Stadien" eine sehr wirkungsvolle Herangehensweise für die Speicherung von Quanteninformationen bei der Behebung von Quantenfehlern darstellen", so der Co-Autor der Studie Robert Schoelkopf. „Die Erschaffung einer Katze in zwei Boxen ist der erste Schritt in Richtung logischer Rechenoperationen zwischen zwei Quantenbits auf fehler-korrigierende Weise." Das ist auch deswegen bedeutend, weil ein Computer 99 Prozent seiner Rechenschritte darauf verwendet, Fehler zu lösen, statt sich den eigentlichen Rechnungen zu widmen, fügt Wang hinzu. Somit könnten die Gedanken zu Schrödingers Katze sogar dabei helfen, die sich in der Entwicklung befindlichen Quantencomputer noch schneller zu machen und reibungsloser rechnen zu lassen.