(kmsh/iStock) Das berühmte Gedankenexperiment mit der Katze in der Kiste des österreichischen Physikers Erwin Schrödinger veranschaulicht eines der bestimmenden Merkmale der Quantenmechanik – das unvorhersehbare Verhalten von Teilchen auf Quantenebene.
Es macht die Arbeit mit Quantensystemen unglaublich schwierig; aber was wäre, wenn wir könnte Quantenvorhersagen machen? Ein Team von Physikern glaubt, dass es möglich ist.
In einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie haben sie ihre Fähigkeit demonstriert, einen sogenannten Quantensprung vorherzusagen und den Prozess sogar umzukehren, nachdem er begonnen hat.
Sie hätten, so sagten sie, Schrödingers Katze „gerettet“.
Aber zuerst eine kurze Auffrischung darüber, wer Schrödingers Katze überhaupt ist. Der Physiker stellte sich das Szenario so vor: Da ist eine Katze, in einer geschlossenen Kiste.
Außerdem befinden sich in der Kiste eine Quelle radioaktiven Zerfalls, ein Geigerzähler und eine versiegelte Flasche mit Gift. Wenn der Geigerzähler den radioaktiven Zerfall eines einzelnen Atoms erkennt, zerbricht er das Giftfläschchen, wodurch die Katze stirbt.
Es gibt keine Möglichkeit, hineinzuschauen, sodass Sie nicht wissen können, ob die Katze lebt oder tot ist. Es existiert in einem Zustand von beidem, bis Sie die Box öffnen.
In dem Moment, in dem Sie dies tun, ist es sofort entweder das eine oder das andere, völlig zufällig, und es kann nicht mehr beides gleichzeitig sein.
Dieser ganze imaginäre Aufbau ist eine Metapher für etwas, das Quantenüberlagerung genannt wird, wobei ein Teilchen (wie ein Atom, ein Elektron oder ein Photon) gleichzeitig in mehreren Energiezuständen existieren kann – bis zu dem Punkt, an dem Sie beobachten Es.
Sobald er beobachtet wird, wird sein plötzlicher, zufälliger Übergang zwischen Energiezuständen als Quantensprung bezeichnet.
Und diesen Sprung konnten Physiker nun nicht nur vorhersagen, sondern auch manipulieren und so das Ergebnis gezielt verändern.
Die Forscher unter der Leitung eines Teams der Yale University nutzten dazu künstliche Atome, sogenannte Qubits, die auch als grundlegende Informationseinheiten in a verwendet werden so viel wie ein Computer .
Jedes Mal, wenn Sie ein Qubit messen, führt es einen Quantensprung aus. Diese sind auf lange Sicht unvorhersehbar und können zu Problemen führen Quanten-Computing .
„Wir wollten wissen, ob es möglich wäre, ein Vorwarnsignal zu erhalten, dass ein Sprung unmittelbar bevorsteht.“ sagte der Physiker Zlatko Minev von der Yale University .
Das Team entwarf ein Experiment zur indirekten Beobachtung eines supraleitenden Qubits, bei dem drei Mikrowellengeneratoren das Qubit in einem versiegelten 3D-Gehäuse aus Aluminium bestrahlen.
Diese Mikrowellenstrahlung schaltet das Qubit zwischen Energiezuständen um, während ein weiterer Strahl Mikrowellenstrahlung die Box überwacht.
Wenn sich das Qubit im Grundzustand befindet, erzeugt der Mikrowellenstrahl Photonen. Eine plötzliche Abwesenheit von Photonen bedeutet, dass das Qubit kurz vor einem Quantensprung in einen angeregten Zustand steht.
Die Untersuchung ergab, dass es sich weniger um einen Sprung als vielmehr um einen Übergang handelte; Kein Umlegen eines Schalters, sondern vielleicht das Schieben eines Hebels.
Daher kann ein weiterer, perfekt getimter Strahlungsimpuls den Quantensprung nach seiner Entdeckung umkehren und das Qubit in seinen Grundzustand zurückversetzen; oder, um sich an Schrödingers Katzenmetapher zu orientieren: Verhindern Sie das Sterben der Katze (aufgeregt) und erwecken Sie sie wieder zum Leben (Boden).
Es gibt immer noch eine langfristige Unvorhersehbarkeit; Die Forscher können es beispielsweise nicht genau vorhersagen Wann Es wird ein Quantensprung stattfinden. Es könnte in fünf Minuten oder fünf Stunden sein.
Aber wenn der Sprung einmal begonnen hat, verläuft er immer auf dem gleichen Weg. Bei den 6,8 Millionen Sprüngen, die das Team beobachtete, war das Muster konsistent.
„Quantensprünge eines Atoms ähneln in gewisser Weise dem Ausbruch eines Vulkans.“ Du hast die Vergangenheit . „Sie sind auf lange Sicht völlig unvorhersehbar.“
„Dennoch können wir mit der richtigen Überwachung mit Sicherheit eine Vorwarnung einer drohenden Katastrophe erkennen und darauf reagieren, bevor sie eintritt.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .
Eine Version dieses Artikels wurde erstmals im Juni 2019 veröffentlicht.