Was würde passieren, wenn Schrödingers fette Katze Wirklichkeit würde?

Die Umsetzung der berühmten Idee von Schrödingers Katze in die Realität und die Realisierung des makroskopischen Quantenüberlagerungszustands können uns ein tieferes Verständnis der Grenze zwischen der mikroskopischen und der makroskopischen Welt ermöglichen.

Geschrieben von | Yi Er San (Postdoktorand für Quanteninformation)

Quanteneigenschaften wie Quantensuperposition und Quantenverschränkung, die über die alltägliche Erfahrung hinausgehen, wurden durch Experimente in der mikroskopischen Welt wiederholt bestätigt. Sie vertiefen nicht nur das Verständnis der Menschen für die Naturgesetze, sondern bilden auch die Grundlage der Quanteninformationstechnologie. Warum sind diese Phänomene in der makroskopischen Welt jedoch schwer zu beobachten?

Die von Schrödinger 1935 vorgeschlagene „Schrödinger-Katze“ – eine „Quantenkatze“, die gleichzeitig „tot“ und „lebendig“ ist – spiegelt gut die Verwirrung wider, die bei der Ausweitung der Quanteneigenschaften auf makroskopische Objekte entstehen kann. Natürlich gibt es in Wirklichkeit keine Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Wie manifestiert sich also makroskopische Materie in Quanteneigenschaften? Manche Leute würden sagen, dass die Quantenmechanik nicht auf makroskopische Materie anwendbar ist. Wo verläuft also die Grenze zwischen der makroskopischen und der mikroskopischen Welt? Eine Möglichkeit, dies herauszufinden, besteht darin, zu versuchen, ein makroskopisches Objekt zu erzeugen, das sich in einer Quantensuperposition befindet.

Wie erreicht man eine makroskopische Überlagerung?

Tatsächlich gelingt es Physikern schon seit langem, den Überlagerungszustand relativ makroskopischer Materie herzustellen. Um den Zustand der Schrödinger-Katze des traditionellen Gedankenexperiments zu realisieren, muss eine klassische Eigenschaft mit einer mikroskopischen Eigenschaft verknüpft werden. Die experimentelle Idee ist ungefähr wie folgt: Zwei mikroskopische Quanteneigenschaften, wie etwa zwei atomare Energieniveaus, zwei Spinrichtungen (bezeichnet als oben und unten) usw., werden als zerfallene und nicht zerfallene Atome im Gedankenexperiment von Schrödingers Katze verwendet; zwei unterschiedliche makroskopische Eigenschaften, wie etwa zwei unterschiedliche Bewegungsarten eines Objekts (bezeichnet als a und b), werden als tot und lebendig der Katze verwendet; Durch die Kopplung der beiden Eigenschaften kann folgende Entwicklung erreicht werden: Wenn das Mikroskopische oben (unten) ist, ist das Makroskopische a (b). Wenn die mikroskopischen Eigenschaften gemäß der Schrödinger-Gleichung als Quantenüberlagerungszustand von oben und unten dargestellt werden, dann scheint die Evolution parallel in zwei Zweigen abzulaufen (diese bildliche Metapher ähnelt der Viele-Welten-Interpretation, aber wir wissen nicht wirklich, wie die Evolution stattfindet), und bildet schließlich zwei kohärente Überlagerungszweige von „oberes a“ und „unteres b“. Die Interferenz der beiden Zweige kann beobachtet werden, um zu bestätigen, dass die makroskopischen Eigenschaften tatsächlich in einem Quantenüberlagerungszustand vorliegen.

Ausgehend von der früheren Schrödinger-Katze mit Einzelionenbewegung[1] wurde eine Reihe zunehmend „größerer“ Katzen hergestellt. Das Wort „groß“ hat hier zwei Bedeutungen. Einer davon ist, dass die Trennungsskala makroskopischer Merkmale groß ist. Wenn die makroskopische Eigenschaft beispielsweise die räumliche Position ist (gemäß der Quantenmechanik kann sich ein Objekt gleichzeitig an verschiedenen räumlichen Positionen befinden), ist der räumliche Abstand zwischen den beiden Zweigen groß. In jüngsten Studien wurden kalte Atome verwendet, um Überlagerungszustände mit Abständen von bis zu einem halben Meter zu erzeugen [2], aber diese Forschung bleibt umstritten [3]. Zum anderen bezeichnet man damit die große Masse des materiellen Trägers makroskopischer Eigenschaften (scherzhaft Schrödingers Bonze genannt), wie etwa den räumlichen Überlagerungszustand von Atomhaufen und großen Molekülen [4]. In einer aktuellen Studie behaupteten Forscher, einen verschränkten Zustand zwischen der Lebensform „Bärtier“ und einem supraleitenden Quantenbit erzeugt zu haben[5], d. h., das Bärtierchen befand sich gleichzeitig in einem makroskopischen Überlagerungszustand zweier verschiedener Zustände. Natürlich wurde dieses Ergebnis auch von vielen Seiten in Frage gestellt[6], und einige Leute sagten sogar, dass „es eine gute Chance gibt, dass er den nächsten Ig-Nobelpreis gewinnt.“

Die Beobachtung einer Quantensuperposition auf makroskopischer Ebene ist nicht nur experimentell schwierig, sondern auch theoretisch ein kontroverses Thema[7]. Die derzeit vorherrschende Ansicht ist, dass makroskopische Objekte stärker mit der Umgebung gekoppelt sind und der daraus resultierende Dekohärenzeffekt es schwierig macht, makroskopische Überlagerungszustände aufrechtzuerhalten. Es gibt auch die Ansicht, dass die Standardquantenmechanik nur eine Annäherung an eine allgemeinere und tiefgreifendere Theorie ist, die auf makroskopischer Ebene nicht mehr anwendbar ist, und dass der makroskopische Überlagerungszustand durch hypothetische Effekte wie Spurendynamik oder Gravitationskollaps zerstört wird. Zumindest im Moment glaubt die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass es bei der Erforschung dieser unbekannten Gebiete helfen wird, Schrödingers Katze „größer und fetter“ zu machen.

Schrödinger-Katze-Zustand des makroskopischen mechanischen Oszillators

Beim „Aufziehen“ von Schrödingers fetter Katze wählten einige Physiker einen anderen Ansatz und verwendeten einen mechanischen Oszillator. Einer der zehn größten Durchbrüche in Physics World im Jahr 2021 [8-10] ist die Verschränkung der Bewegungsmodi zweier mechanischer Oszillatoren und gleichzeitig das Erreichen eines Überlagerungszustands der Oszillatoren in unterschiedlichen Bewegungsmodi. Im Gegensatz zu mikroskopischen Teilchen wie Atomen und Elektronen ähneln mechanische Oszillatoren eher makroskopischen Objekten, da sie selbst aus einer großen Anzahl von Atomen bestehen. Beispielsweise die Untersuchung von 100 Pikogramm (~1012 Atome) Oszillatoren in [10]. Die Untersuchung der Quanteneigenschaften solcher Objekte wird hoffentlich weitere Erkenntnisse über die Grenze zwischen Quantenphysik und klassischer Physik liefern.

In einer im April 2023 in Science veröffentlichten Studie [11] gelang es Forschern, einen 16 Mikrogramm (~10^17 Atome) schweren mechanischen Oszillator in eine Quantenüberlagerung zweier Bewegungszustände zu versetzen. Dies ist die „fetteste“ Schrödinger-Katze, die je erschaffen wurde.

Abb. 1 Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Ein Schwingquarz kann sich in verschiedenen Bewegungsarten befinden. Es ist über den piezoelektrischen Effekt mit einem supraleitenden Qubit (unten rechts) gekoppelt | Bildnachweis: Yiwen Chu / ETH Zürich.

In dieser Arbeit handelt es sich bei dem experimentellen Gerät um einen Hoch-Oberton-Bulk-Acoustic-Wave-Resonator (HBAR) und ein supraleitendes Quantenbit, die miteinander gekoppelt sind. Der schwingende Kristall stellt die makroskopische Katze dar und das zerfallende supraleitende Qubit stellt das zerfallende Atom dar. Supraleitende Quantenbits können sich gleichzeitig im Up- und Down-Zustand befinden, was Zerfall und Nicht-Zerfall entspricht. Der Schwingquarz kann sich in unterschiedlichen Bewegungsmodi befinden, beispielsweise in zwei Schwingungsmodi a und b mit gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase, die jeweils tot und lebendig darstellen.

Die Schwingungsmode des Kristalls und das elektrische Feld des Quantenbits sind durch den piezoelektrischen Effekt gekoppelt. Das heißt, das elektrische Feld des Quantenbits ist mit dem durch die Kristallschwingung erzeugten elektrischen Feld gekoppelt, und die Änderung des Quantenzustands des ersteren entspricht der Bewegung des Kristalls (zu diesem Zeitpunkt kann das System durch das Jaynes-Cummings-Modell charakterisiert werden, das die Kopplung zwischen dem Quantenbit und dem Phonon beschreibt). Daher werden die oberen und unteren Quantenüberlagerungszustände auf die Quantenüberlagerung der a- und b-Schwingungsmodi des Kristalls abgebildet, und der Kristall befindet sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Bewegungsmodi, wodurch eine „tote und lebendige Katze“ realisiert wird. Insbesondere aufgrund der entgegengesetzten Phasen der Schwingung befinden sich die Atome im Kristall zu einem bestimmten Zeitpunkt sowohl am höchsten als auch am niedrigsten Punkt der Schwingung, was ebenfalls ein Phänomen ist, das in der klassischen Welt nicht auftritt.

Um zu überprüfen, ob sich das Bewegungsmuster tatsächlich in einem Quantenüberlagerungszustand befindet, kann die Kristallbewegung nicht direkt „grob“ beobachtet werden. Da dies mit einer Wahrscheinlichkeit von zum Modus a oder b führt, ist es unmöglich zu bestimmen, ob es sich um eine a-, b-Quantenüberlagerung oder einen klassischen Mischzustand von „mehrmals a, mehrmals b“ handelt. Die Forscher verwendeten Standardmethoden der Quanteninformation, um eine Quantenzustandstomographie des Bewegungszustands durchzuführen, d. h., um alle Informationen über den Quantenzustand des Systems zu erhalten, indem sie jede nichtkommutative Observable separat beobachteten. Die Ergebnisse zeigen nicht nur, dass die beiden Zweige a und b des Überlagerungszustands unterschiedliche, unterscheidbare Bewegungszustände sind, sondern demonstrieren auch deutlich die Interferenzstreifen im Phasenraum, die durch die quantenkohärente Überlagerung der beiden Zweige verursacht werden. Schließlich wurde bestätigt, dass die Gesamtmasse der im Schrödinger-Katzenzustand hergestellten Atome etwa 16,2 Mikrogramm betrug und der maximale räumliche Abstand etwa 2,1 × 10^(-18) Meter betrug. Obwohl der Abstand kleiner ist als die Größe eines Atoms, kann das Experiment dennoch zwischen den beiden Bewegungsarten unterscheiden. und die makroskopische Manifestation besteht darin, dass die Masse des Objekts im Überlagerungszustand groß ist (und den Mikrogrammbereich erreicht).

Darüber hinaus bereiteten die Forscher durch Regulierung und Manipulation der Feldstärke eine Reihe von Katzenzuständen mit unterschiedlichen Abstandsskalen vor und untersuchten ihr Dekohärenzverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dekohärenzrate mit dem Maßstab zunimmt, was den theoretischen Erwartungen entspricht.

Einige Ausblicke

Es ist klar, dass die Erforschung makroskopischer Quanteneigenschaften eine „unendliche Grenze“ darstellt. Im Hinblick auf die Grundlagen der Quantenmechanik war das Problem der Quantenmessung schon immer umstritten, teilweise weil es um die Verschränkung zwischen dem mikroskopischen Quantensystem und dem Messgerät (makroskopisch) sowie der umgebenden Umwelt geht. Das Studium des makroskopischen Überlagerungszustands hilft, die oben genannten Probleme zu verstehen. Es hilft auch, einige Theorien zu testen, die über die Standardquantenmechanik hinausgehen. Aus der Perspektive der Quantentechnologie werden zukünftige praxistaugliche Quantencomputer im großen Maßstab eine große Zahl von Quantenbits in kontrollierbaren Quantenzuständen erfordern, und die Forschung zu makroskopischen Quanteneigenschaften dürfte hierfür eine Referenz liefern. Gleichzeitig wird erwartet, dass ähnliche makroskopische Quantenzustände in Bereichen wie der kontinuierlichen variablen Quanteninformationsverarbeitung, der Quantenfehlerkorrektur und der Quantenerfassung von Gravitationswellen Anwendung finden. Mit der Weiterentwicklung in diese Richtung ist zu erwarten, dass in Zukunft makroskopische Überlagerungszustände mit großer Masse und räumlicher Trennung hergestellt werden können, die bei der Erforschung quantengravitativer Phänomene wie der durch die Gravitation vermittelten Verschränkung helfen werden [12].

Verweise

[1] Science 380, 274-278 (2023).

[2] Science 272, 1131-1136 (1996).

[3] Nature 528, 530-533 (2015).

[4] Nature 537, E1-E2 (2016).

[5] Nat. Phys. 15, 1242-1245 (2019).

[6] Neues J. Phys. 24, 12302 (2022).

[7] https://phys.org/news/2021-12-peers-dispute-tardigrades-entangled-qubits.html.

[8] Rev. Mod. Phys. 85, 471-527 (2013).

[9] https://physicsworld.com/a/physics-world-announces-its-finalists-for-the-2021-breakthrough-of-the-year/

[10] Science 372, 622-625 (2021).

[11] Science 372, 625-629 (2021).

[12] Phys. Ehrw. Lett. 119, 240401 (2017).

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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