Zwischen Quanten- und Alltagswelt

Eine Gitarrenseite schwingt und erzeugt einen Ton oder aber sie schwingt nicht und es ist still. Diese Erfahrung machen wir zumindest in unserer Alltagswelt. In der Welt von Atomen, Photonen und Elektronen könnte sich eine winzige Gitarrenseite dagegen in einer Überlagerung der beiden Zustände befinden: Sie schwingt und gleichzeitig schwingt sie nicht. Dieses ist nur eine von vielen Quanteneigenarten, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Wenn die beiden Welten so unvereinbar sind, müsste es dann nicht irgendwo eine Grenze zwischen ihnen geben?

Géza Giedke: „Man könnte die Grenze zwischen Quanten- und Alltagswelt da ansetzen, wo man diese Effekte in Reinkultur sehen und nachweisen kann. Diese Grenze wäre letztlich eine Frage der technischen und experimentellen Fertigkeit, also: Wie gut hat man sein System unter Kontrolle, um solche Phänomene zu präparieren und dann auch nachzuweisen“

Die Grenze zwischen Quanten- und Alltagswelt hängt also nicht von den Objekten selbst ab, sondern davon, wie gut Forscher ein System kontrollieren und messen können. Nach heutigen Theorien besitzen nämlich womöglich alle Objekte Quanteneigenschaften.

„Es ist ein scheinbares Paradox: Schaut man um sich herum, bekommt man diese ganzen Quanteneigenschaften nie zu Gesicht. Die Theorie der Dekohärenz versucht zu beschreiben, wie Quantensysteme mit einer unbekannten, unkontrollierten und nicht gemessenen Umgebung in Wechselwirkung stehen. Und dabei zeigt sich, dass durch diese Dekohärenz – wenn sie hinreichend stark ist – aus der Quantenmechanik gewissermaßen wieder klassisches Verhalten entsteht.“

Wollen Physiker also Quantenphänomene nachweisen, müssen sie diese Dekohärenz klein halten. Und das erreichen sie, indem sie das System von äußeren Einflüssen abschirmen und so genau präparieren, wie es die Natur nur zulässt. Diese Aufgabe wird allerdings umso schwieriger, je größer das System ist und je stärker es mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt.

„Die Quantenwelt ist typischerweise klein, kalt und leer. Der Alltag ist es dagegen groß, warm und voll: Luft oder Wasser ist um uns herum und viele Systeme, die miteinander in Wechselwirkung stehen. Und Quantensysteme, in denen man diese Phänomene in Reimform sehen kann, sind sehr gut kontrolliert und isoliert, und das ist im Alltag eben nicht der Fall.“

Trotz der Herausforderungen gelingt es Physikern immer größere physikalische Systeme zu kontrollieren. So fangen sie beispielsweise einzelne Atome oder kleine Moleküle in einer Falle aus Lichtstrahlen ein und bringen diese in einen Überlagerungszustand.

„Und da gab es nun Experimente, das mit größeren Molekülen, sogenannten Makromolekülen, zu machen und immer wieder zu zeigen, dass auch dieses große System aus Hunderten von Atomen diese Quanteneigenschaften besitzt: Es befindet sich in einer Überlagerung – es ist entweder links in der Falle oder rechts oder es ist in Ruhe oder schwingt.“

Theoretisch ließen sich mithilfe von Licht, mit einer sogenannten optischen Pinzette, auch Viren und Bakterium fangen und von einem zu einem anderen Ort verfrachten. Die Organismen sollten einen solchen Transport sogar unbeschadet überstehen. Eine erste Hürde zur Kontrolle solcher komplizierten biologischen Systeme wäre also genommen, allerdings…

„Es gibt bisher keine Überlegungen oder mir bekannten Vorschläge dazu, wie man Lebensfunktionen von einem Organismus mit Quantensystemen koppelt oder das es Theorien gibt, die etwas Unerwartetes vorhersagen.“

Ist es experimentell möglich, auch in diesen komplexen Systemen die Quantenkontrolle zu gewinnen? Trotz hoher Temperaturen und einem hohen Grad an Unordnung – und damit fern ab von den kleinen, kalten und leeren mikroskopischen Systemen? Eine Motivation, dieses Ziel zu erreichen, liefert das berühmte Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger. Er schlug vor, das Leben und Sterben einer Katze mit einem Quantenvorgang zu verkoppeln.

„Ein Quantensystem befindet sich dabei in einer Überlagerung und wechselwirkt in der Art und Weise mit einer Katze, dass sie stirbt, wenn das System in dem einen Teil der Überlagerung ist, und überlebt, wenn es in dem anderen Teil der Überlagerung ist. Und wenn man der Quantenmechanik nun Wort für Wort folgt und annimmt, dass es hier überhaupt keine Dekohärenz gibt, dann würde man dieses System beschreiben als eine Überlagerung aus einer lebendigen und einer toten Katze. Schrödinger hat dies damals als Beispiel für die Absurdität dieses Gedankens gebracht und gesagt, dass die Quantenmechanik auf dieser Ebene nicht anwendbar sein kann.“

Oder haben Sie schon einmal eine lebendig-tote Katze gesehen? Die Theorie der Dekohärenz – die ja davon ausgeht, dass alle Objekte Quanteneigenschaften besitzen – hat dafür allerdings eine Erklärung parat. Die lebenden und toten Tiere wechselwirken so stark und verschieden mit der Umgebung, dass wir eben nie die Überlagerung der beiden zu Gesicht bekommen. Also sehen wir entweder eine lebendige Katze oder aber eine tote. Es ist also keine Frage des Prinzips, sondern eine technische.

“Die Technik, die dahinter steht, ist so unüberwindbar kompliziert, dass es Menschen letztlich vermutlich nicht möglich sein wird, lebende und tote Katzen in eine Überlagerung zu bringen“

Wenn auch noch nicht mit Lebewesen, so gelingen Wissenschaftlern inzwischen immerhin schon Quantenkunststückchen mit makroskopischen Objekten aus hundert Milliarden von Atomen – beinahe mit bloßem Auge zu erkennen. Kürzlich ist es einigen von ihnen beispielsweise gelungen, ein winziges Metallplättchen so tief herunterzukühlen, dass es quantenmechanisch in Ruhe ist, sich also im niedrigsten Energiezustand befindet.

„Und dann haben sie es geschafft, dieses System ganz kontrolliert an ein anderes System zu koppeln und Überlagerungszustände herzustellen. Nämlich die Überlagerung von den beiden Zuständen ‚dieses System ist in Ruhe‘ und ‚dieses System fängt an zu oszillieren‘, und zwar mit der niedrigsten quantenmechanischen Stufe der Oszillation. Wir sagen dazu ein Phonon, ein Quant der Oszillation.“

Die Auslenkung ist bisher allerdings winzig. Sie liegt bei 10^-16 Metern, ein menschliches Haar ist mehr als zehn Milliarden Mal dicker. Dennoch zeigt das Experiment, das selbst Systeme aus Milliarden von Atomen mit den Gesetzen der Quantenmechanik kompatibel sind. Aber nicht nur das: Die winzigen Sensoren hätten sogar einen praktischen Nutzen.

„Solche schwingenden Objekte sind sehr gute Sensoren, weil eine kleine Kraft, die an ein solches schwingendes Objekt angreift, die Schwingungsfrequenz ändern kann. Und Frequenzen lassen sich sehr genau messen, sodass man auf diese Weise die Kräfte messen kann.“

Einsetzen ließen sich diese hochpräzisen Quantensensoren zum Beispiel in Gravitationswellendetektoren. Auch Rasterkraftmikroskope, mit denen sich einzelne Atome vermessen lassen, könnten durch die quantenmechanischen Ozillatoren in Zukunft noch genauer werden. Aber sowohl von theoretischer als auch von praktischer Seite wären größere Auslenkungen und auch Systeme wünschenswert. Die Grenze zwischen Quanten- und Alltagswelt muss also wohl noch ein Stückchen weiter in unsere Richtung verschoben werden.