Christian Speicher ⋅ Es gehört zu den Besonderheiten der Quantentheorie, dass sich ein Atom gleichzeitig hier wie dort befinden kann. In Anlehnung an Erwin Schrödingers berühmtes Gedankenexperiment, in dem eine Katze zwischen Tod und Leben schwebt, sprechen Quantenphysiker von einem Katzen-Zustand, wenn sich ein Objekt gleichzeitig in zwei Zuständen befindet, die sich eigentlich ausschliessen. An der ETH Zürich ist es der Arbeitsgruppe von Jonathan Home nun gelungen , den Katzen-Zustand eines ionisierten Atoms grösser und schärfer zu machen.¹

«Gespaltenes» Ion

Das Rezept, ein Ion in einen Katzen-Zustand zu versetzen, geht auf Christopher Monroe und den Nobelpreisträger David Wineland zurück. Im Jahr 1996 hatten die beiden ein Beryllium-Ion in eine Falle eingesperrt und es bis zur Bewegungslosigkeit abgekühlt. Dann wurde das Ion in einen Zustand versetzt, in dem sein Spin sowohl nach oben als auch nach unten zeigte. Eine zustandsabhängige Kraft machte aus diesem Überlagerungszustand einen Katzen-Zustand, indem sie die eine Komponente nach links, die andere nach rechts verschob. Das Resultat war eine räumliche Trennung der beiden Spinzustände um 80 Nanometer. Das entspricht der 11-fachen Grösse des Ions.

Home, der als Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Wineland gearbeitet hatte, griff diese Idee auf, modifizierte sie aber in einem Punkt. Gemäss der Heisenbergschen Unschärferelation sind der Genauigkeit, mit der man den Ort und den Impuls eines Teilchens gleichzeitig messen kann, prinzipielle Grenzen gesetzt. Normalerweise sind die Unschärfen gleichmässig verteilt. Es gibt aber Situationen, in denen es vorteilhaft ist, die eine Unschärfe auf Kosten der anderen zu «quetschen».

Die Gruppe von Home nutzte diese Möglichkeit, um die Zustände noch besser zu trennen. Mit einer von ihnen entwickelten Technik reduzierten sie die Ortsunschärfe des Ions um einen Faktor drei, bevor sie es der zustandsabhängigen Kraft aussetzten. Durch die Kraft wurden die überlagerten Spinzustände um 200 Nanometer voneinander getrennt. Damit war der Katzen-Zustand nicht nur grösser als jener von Monroe und Wineland. Durch die Quetschung war der Abstand zwischen den Zuständen nun fast 60-mal so gross wie die Ortsunschärfe des Ions.

Grenzen der Quantenphysik

Interessant sei das zum Beispiel, wenn man mit Katzen-Zuständen rechnen wolle, erklärt Home. Assoziiere man die räumlich getrennten Zustände mit den Zuständen Null und Eins eines Quantencomputers, sei es wichtig, dass diese nicht überlappten. Der räumlichen Trennung der Zustände seien jedoch Grenzen gesetzt, da ein Katzen-Zustand umso schneller in klassische Zustände zerfalle, je grösser er sei. Durch die Quetschung, so Home, erübrige es sich, die Zustände allzu weit trennen zu müssen. Das fördere die Lebensdauer der Katzen-Zustände.

Umgekehrt wollen die Forscher gerne ausloten, wie gross die gequetschten Katzen-Zustände gemacht werden können, ohne ihren quantenmechanischen Charakter zu verlieren. Davon versprechen sie sich Hinweise darauf, wo die Grenzen zwischen klassischer Physik und Quantenphysik verlaufen.

¹ Nature 521, 295/296; 336–339 (2015) .