Ein Zuhause für Schrödingers Katze

Die meisten unserer supraleitenden Hohlraumresonatoren landen in Teilchenbeschleunigern, aber hin und wieder gelangt so eine Cavity auch auf Abwege. Wie die Cavity, die Serge Rosenblum und sein Team am Weizmann-Institut verwenden, um einen quantenmechanischen Schrödinger-Katzenzustand mit Größen von bis zu 1024 Photonen für bisher unerreichte Zeiten zu speichern. Im Prinzip haben wir also ein Zuhause für Schrödingers Katze gebaut.

Schrödingers Katze ist ein berühmtes Gedankenexperiment aus der Quantenmechanik (1935). Ziel dieses Gedankenexperiments war es, einige der merkwürdigen, schwer vorstellbaren Aspekte der Quantentheorie zu verdeutlichen, insbesondere das Superpositionsprinzip und die Rolle der Beobachtung in quantenmechanischen Systemen. Dies geschieht durch die Verbindung von Quantenphysik mit unserer makroskopischen menschlichen Welt.

Kurz gesagt: Eine Katze wird in eine geschlossene Box gesetzt, in der sich auch eine radioaktive Substanz und einem Fläschchen Gift befinden. Wenn die radioaktive Substanz zerfällt, löst das die Freisetzung des Gifts aus und tötet die Katze. Wenn aber kein Zerfall erfolgt, bleibt die Katze am Leben. Gemäß der Quantenmechanik existiert die Katze bis zur Öffnung der Box in einer Überlagerung der beiden Zuständen tot und lebendig, dargestellt durch das sogenannte Wellenfunktion. Erst durch die Beobachtung kollabiert diese Wellenfunktion, und die Katze wird entweder als lebendig oder tot gefunden.

In einem neuen Paper zeigt die Gruppe von Serge die Speicherung eines Quantenzustands mit bis zu 1024 Photonen für mehr als 30 ms - ein einzelnes Photon-Qubit (d.h. eine Überlagerung von null oder einem Photon) kann für mehr als 30 ms gespeichert werden, aber ein Katzenzustand mit einer Größe von 1024 Photonen kann für 50 Mikrosekunden gespeichert werden. Das ist mehr als eine Größenordnung länger als in früheren Experimenten. Der Schlüssel zu einer so langen Lebensdauer besteht darin, alle Unreinheiten im supraleitenden Niobium zu entfernen, aus dem die Cavity besteht, selbst geringfügige oxidierte Oberflächenschichten, die elektromagnetische Energie absorbieren würden. Mit dem wahrscheinlich kleinsten Elektropoliergerät der Welt haben wir die Oberflächenoxidationsschicht in einem gepufferten chemischen Polierprozess entfernt.

Während 50 µs eine für eine Katze in unserer makroskopischen Welt schrecklich kurze Lebensdauer wäre, ist es ausreichend Zeit, um verschiedenste Experimente an einem so gut definierten Zustand in der Quantenwelt durchzuführen. Die Kohärenzzeiten des Experiments von Serge und seinem Team könnten viele neue Möglichkeiten für die Quanteninformationsverarbeitung eröffnen, beispielsweise für die Quantenfehlerkorrektur, Quantenspeicher oder Quantennetzwerke.

Und Schrödingers Katze ist nicht mehr nur ein Gedankenexperiment. Sie ist eine beobachtbare Realität.