In der Quantenwelt gibt es einige exotische Phänomene, die der klassischen Physik zu widersprechen scheinen, eine davon ist die quantenphysikalische Überlagerung: Ein Teilchen kann dabei mehrere Quantenzustände gleichzeitig einnehmen – erst eine Messung beendet diese Superposition und legt das Quantenobjekt auf einen Zustand fest. Eine berühmte Analogie dazu ist das Gedankenexperiment von Schrödingers Katze: Das Tier sitzt mit radioaktivem Material und Gift in einer Box. Ereignet sich ein Kernzerfall, stirbt sie. Doch solange man nicht nachschaut, ist ihr Zustand unbestimmt – sie ist tot und lebendig zugleich.
Schrödingers Katze illustriert das Phänomen der quantenphysikalischen Überlagerung. — © Dana Kulbayeva/ iStock
In der Quantenphysik wurden solche „Katzenzustände“ schon bei Photonen, Elektronen, Molekülen und sogar massiven Metallteilchen nachgewiesen. Auch Schwingungszustände von Kristallen lassen sich in Überlagerung bringen. „Die Überlagerung ist nicht nur eine Kuriosität der Natur, sie ist zentral für jede Anwendung der Quantenmechanik“, betonen Sebastian Saner von der University of Oxford und seine Kollegen. Bisher nutzen Quantensensoren und Quantencomputer jedoch meist nur die Überlagerung von zwei Zuständen, oft sind dies verschiedene Spin-Ausrichtungen oder Energiezustände.
Mehr Möglichkeiten durch überlagerte Schwingungen
Doch in der Quantenwelt geht noch mehr: Nutzt man Schwingungszustände, beispielsweise in einem Kristall oder von einzelnen gefangenen Teilchen, kann man mehr als zwei Zustände auf einmal in die Superposition bringen. Solche Quantenoszillatoren können dadurch mehr Informationen verarbeiten und übertragen und sind zudem effizienter und robuster als gängige Quantenbits, wie Saner und sein Team erklären.
