Das Karriereportal für Wissenschaft & Forschung von In Kooperation mit DIE ZEIT Forschung und Lehre

Die Jäger der Katze

VON ROBERT GAST

Mit dem Nobelpreis für Physik werden zwei Pioniere der Quantenmechanik geehrt.

Die Jäger der Katze© CNRS Photothèque/C.LEBEDINSKYDer Quantenphysiker Serge Haroche wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2012 ausgezeichnet
Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger hatte einen großen Traum: Er wollte ein einzelnes Atom einfangen, um es in aller Ruhe studieren zu können. Da das zu seinen Lebzeiten nicht möglich war, entschied er sich, wenigstens seine Kollegen zu ärgern.

Schrödinger wusste bereits: In der Welt der Atome gelten ganz andere Regeln als in der uns vertrauten. Zwar kann man den Mikrokosmos mit eleganter Mathematik beschreiben - die konnte aber für Schrödinger unmöglich die Wirklichkeit widerspiegeln. Darum ersann er 1935 ein Gedankenexperiment, das Generationen von Physikern Kopfzerbrechen bereiten sollte.

Eine Katze wird zusammen mit einer Kapsel Zyankali in eine Box gesperrt. Dabei entscheidet ein radioaktiver Atomkern darüber, ob das Nervengift freigesetzt wird oder nicht. Zerfällt der Atomkern, wird die Kapsel zerschlagen, und die Katze stirbt. Zerfällt er nicht, bleibt die Katze am Leben.

Als »Schrödingers Katze« wurde das Tier weltberühmt. Mit ihm wollte Erwin Schrödinger die Paradoxie der Quantenphysik demonstrieren. In der Quantenwelt sind mehrere Dinge gleichzeitig möglich, die nach unserem Verständnis nacheinander passieren müssen. Ein Elektron zum Beispiel kann an mehreren Orten gleichzeitig sein - wo es ist, kann der Physiker nur mit einer Wahrscheinlichkeit angeben. Erst wenn man es durch eine Messung beobachtet, »zwingt« man ein Quantenobjekt, Farbe zu bekennen und sich in einem Zustand zu manifestieren.

Auch der Atomkern an der Zyankalikapsel ist gleichermaßen intakt und zerfallen. Aber gilt das auch für die Katze? In Schrödingers Beispiel ist auch sie tot und lebendig zur selben Zeit. Erst das Öffnen der Box - die Messung - besiegelt ihr Schicksal.

Das Paradoxon von Schrödingers Katze ist die Basis für den Quantencomputer

Schrödinger konnte nicht ahnen, dass Forscher lange nach seinem Tod das Gedankenexperiment im Labor realisieren würden. Serge Haroche und David Wineland, die nun mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet werden, haben eindrucksvoll gezeigt, dass Schrödingers Katze weit mehr ist als ein quantentheoretisches Paradoxon. In ihren Experimenten verhält sich die Natur genau so wie von der Mathematik vorhergesagt. Das ermöglicht den Bau neuartiger, »optischer« Uhren, die Hunderte Male genauer als heutige Atomuhren gehen. Und es befeuert den Traum vom Quantencomputer, der nicht mehr mit herkömmlichen Transistoren arbeitet, sondern Atomkerne zum Speichern von Informationen verwendet.

Denn wo ein Transistor entweder den Wert 0 oder den Wert 1 in Form eines Bits repräsentiert, kann das sogenannte Qubit wegen der Quantennatur von Atomkernen beide Werte gleichzeitig annehmen. Dadurch potenziert sich die Rechenleistung, zumindest wenn es darum geht, Verschlüsselungen zu knacken oder große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen. Noch ist der Quantencomputer aber Zukunftsmusik.

Zwar können Forscher Atomkerne bis auf knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt abkühlen und sie mithilfe von elektrischen Feldern für kurze Zeit einsperren. Aber fast sofort dringt von außen Wärme in das bitterkalte Atomensemble ein, und die Teilchen entweichen aus dem futuristischen Rechner.

Serge Haroche und David Wineland sind Experten darin, die Quantenidylle möglichst lange zu bewahren. Der Amerikaner Wineland gilt als Pionier unter den Atomfängern. 1981 war seine Arbeitsgruppe am National Institute of Standards and Technology die zweite, die einen einzelnen Atomkern mithilfe von Radiowellen und elektrischen Feldern einsperren konnte.

Seitdem hat Wineland die Technik in seinem Labor in Boulder, Colorado, perfektioniert. Mit maßgeschneiderten Laserpulsen können er und seine Kollegen Atomrümpfe so manipulieren, dass sie in zwei Zuständen gleichzeitig verharren. Wineland gelang es auch als Erstem, einen Computer aus zwei Qubits zu bauen (siehe "Unter Fallenstellern"). Bis zur Realisierung eines vollwertigen Quantencomputers ist es allerdings noch ein weiter Weg. Bislang gelingt es Forschern erst, ein gutes Dutzend von Qubits miteinander zu koppeln. Werden es mehr, kann man sie nicht mehr miteinander koppeln.

Der Franzose Serge Haroche hingegen hat seine Karriere dem Problem der »Dekohärenz« gewidmet, allerdings als Dompteur von noch schwieriger zu bändigenden Quanten: In den vergangenen 30 Jahren haben er und seine Mitarbeiter immer leistungsfähigere Speicher für Lichtteilchen entwickelt. Die Photonen werden für die Kommunikation zwischen den Qubits benötigt. Lange gelang es Forschern jedoch nicht, die in den Photonen übermittelte Information zu nutzen. Immer wenn man ihren Zustand auslesen wollte, gingen die Lichtteilchen unwiderruflich verloren.

Haroches Team schaffte es, das Problem zu lösen. Mitte der neunziger Jahre konstruierten die Forscher einen gerade einmal 2,7 Zentimeter langen Hohlraum, in dem ein einzelnes Photon von zwei Spiegeln immer wieder reflektiert wird. Erst nach einer zurückgelegten Strecke von 40.000 Kilometern verlässt es den Speicher. Mit einem neuartigen Messverfahren gelang es den Forschern außerdem, Informationen aus dem Lichtstrahl zu fischen, ohne ihn zu stören - sie können in die Box von Schrödingers Katze spähen, ohne die Falle zu einer Entscheidung zu zwingen.

Nicht zuletzt konnte Haroches Team die Frage beantworten, wie lange das Schicksal von Schrödingers Katze unter realen Bedingungen ungewiss bleiben kann. 2008 zwangen sie gleich zehn Lichtquanten in eine Überlagerung zweier Zustände. Gerade einmal 17 Millisekunden blieb ihr Schicksal in der Schwebe - dann entschied sich die Natur für einen Zustand.

Aus DIE ZEIT :: 11.10.2012

Ausgewählte Artikel
Ausgewählte Stellenangebote