Auslöschen und verstärken

Der Tanz der Teilchen

In der Welt der Quanten gibt es verblüffende Phänomene. Sie verstören nicht nur den Verstand von Laien, sondern auch den der Physiker. Zu den seltsamsten und fundamentalsten Erkenntnissen der Quantenphysik zählt der Welle-Teilchen-Dualismus der Natur.

Der Physiker Reinhold Bertlmann über Phänomene der Quantenphysik

Alles Existierende in unsere Welt besteht einerseits aus Teilchen, andererseits verhält es sich auch als Welle. Das im wahrsten Sinne des Wortes "einleuchtendste" Beispiel für diesen Dualismus ist das Licht.

Ur-Experiment der Quantenphysik

Schickt man es durch einen Doppelspalt, jenes Ur-Experiment der Quantenphysik, kann man mit Detektoren hinter den zwei Spalten Photonen nachweisen. Jene Lichtteilchen, mit denen Albert Einstein 1905 seine Lichtquantenhypothese aufstellte. Andererseits kommt es auf einem Schirm hinter dem Doppelspalt zu sogenannten Interferenzen.

Es zeigt sich ein Muster aus hellen und dunklen Streifen, das man physikalisch nur mit dem Wellenbild erklären kann. So wie zwei Wasserwellen läuft das Licht, nach dem es den Doppelspalt passiert hat, übereinander und erzeugt dabei Helligkeit und Dunkelheit auf dem Schirm, wo sich die Lichtwellen entweder gegenseitig auslöschen oder verstärken.

Die "Quantenkohärenz"

Dies geschieht aber nur, weil die Wellen sozusagen gleichförmig schwingen. Mit anderen Worten: Die Natur verlangt von mikroskopischen Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, einen wellenartigen Tanzschritt. Und diese eigenartige Choreografie bezeichnen Physiker als "Quantenkohärenz".

Die "Superposition"

Interferenz ist aber nur eines von vielen kohärenten Wellenschauspielen, die auf der Bühne der Quanten dargeboten werden - und wahrscheinlich noch das mit dem gesunden Menschenverstand verträglichste.

Weit mysteriöser erscheint dem Laien das wellenartige Quantenphänomen der "Superposition". Im Quantenkosmos können sich einander ausschließende Zustände überlagern! Wie diese unglaubliche Tatsache mit unserer Alltagserfahrung zu verstehen wäre, demonstrierte der österreichische Physiknobelpreisträger Erwin Schrödinger, einer der Urväter der Quantenmechanik, in seinem berühmten Gedankenexperiment mit der Katze.

Schrödinger's Katze

Man verfüge, so schlug Schrödinger bereits 1935 vor, eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Atom in eine geschlossene Kiste. Das Atom zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent, worauf ein Hammer eine Giftampulle zerschlägt, und die Katze getötet wird. Solange man den Deckel dieser "Höllenmaschine" nicht hebt, befindet sich das Tier in einem Überlagerungszustand von "tot" und "lebendig". Erst wenn wir nachschauen, löst sich der Zwitterzustand der Katze auf.

Rechner der Zukunft: Quantencomputer

In der makroskopischen Welt laufen natürlich keine Schrödinger Katzen herum, dennoch ist die Superposition inzwischen zu einem Arbeitsprinzip in der Quanteninformation geworden.

Ein Quantencomputer - einige Prototypen können derzeit schon einfache Rechenoperationen ausführen, basiert auf sogenannten Quantenbits, kurz Quibits genannt. Dabei werden quantenkohärente Überlagerungszustände klassischer Bits für extrem schnelles Parallelrechnen verwendet.

Denn ein Quibit, beispielsweise realisiert durch den Spin eines Elektrons, kann die logischen Zustände 1 oder 0 gleichzeitig annehmen. Was man damit machen könnte?

Riesige Primzahlen zerlegen, worauf ein Großteil der modernen Datenverschlüsselung beruht - für einen klassischen Computer ein Ding der Unmöglichkeit.