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.
Die Physiker haben nun erstmals eine neue Familie von Schrödinger-„Katzenzuständen“ entwickelt und experimentell getestet. Bei diesen erzeugt die Kopplung eines Qubits mit einem Quantenoszillator überlagerte Schwingungszustände aus verschiedenen nichtklassischen Komponenten. „Dieses hybride System ist entscheidend für unsere Demonstration“, berichtet das Team.
Ein Ion als Qubit und Oszillator zugleich
Herzstück des Experiments ist ein Strontium-Ion in einer Ionenfalle – ein Qubit. Die Physiker bringen dieses Ion in eine Überlagerung zweier Spinzustände - wie bei gängigen Quantensystemen üblich. Neu ist jedoch: Auch die Bewegung des Ions wird nun mit in die Überlagerung einbezogen. Die Physiker koppeln den internen Quantenzustand des Ions mit seinen äußerlich messbaren Schwingungen. Diese bilden einen Quantenoszillator – und damit eine zweite Art von Quantensystem.
Für ihr Experiment manipulierten Saner und sein Team die Schwingungen des Ions so, dass sie einem nichtklassischen „gequetschten“ Muster folgen. Dabei wird das Quantenrauschen in einer Richtung verstärkt, in der anderen jedoch verringert. Im nächsten Schritt messen Saner und sein Team den internen Zustand des Qubits. „Diese Messung lässt die Überlagerung dieses Zustands kollabieren und löst die Überlagerung des Oszillators vom Spinzustand“, erklären die Physiker.
Damit legt diese Messung auch fest, welche Schwingungszustände der Ionenbewegung in Überlagerung bleiben und weiter genutzt werden können - beispielsweise geradzahlige oder ungeradzahlige Schwingungen.
Neue Familie von „Katzenzuständen“
Damit haben die Physiker eine Methode gefunden, um diese neue Familie von „Katzenzuständen“ zu erzeugen und praktisch zu nutzen. „Wir haben damit viele nichtklassische Zustände experimentell nachgewiesen, die bisher nur theoretisch erforscht waren“, berichten sie. Im Versuch gelang es ihnen zudem, die relative Größe, Richtung und Trennung der verschiedenen Schwingungszustände gezielt zu manipulieren. „Dieser Ansatz ermöglicht es uns, die Quanten-Überlagerung in nahezu jede gewünschte Form zu bringen“, erklärt Saner.
Messungen ergaben zudem, dass die erzeugten Superpositionen stark negative Werte der sogenannten Wigner-Quasiprobabilität aufwiesen. Diese verrät, ob ein System klassisch oder nichtklassisch reagiert. „Große Wigner-Negativitäten sind eine Voraussetzung für Quantenzustände, die klassischem Computing überlegen sind – sie sind daher begehrt“, erklären die Physiker.
Erst der Anfang
Nach Ansicht von Saner und seinen Kollegen bietet ihr Ansatz damit einen Weg, die Vorteile von Quantensystemen weiter auszubauen und dadurch Quantensensoren und Quantencomputer robuster und effizienter zu machen. Denn die von Quantenoszillatoren durch mehrere überlagerte Schwingungszustände gebildeten Qubits sind gegenüber Störungen unempfindlicher, sie funktionieren auch noch, wenn ein Teil davon kollabiert, wie das Team erklärt.
„Wir denken, dass wir bislang nur die Oberfläche dessen angekratzt haben, was möglich ist – sowohl in Bezug auf die praktische Anwendung als auch auf fundamentale Fragen“, sagt Seniorautor Raghavendra Srinivas von der University of Oxford. Die von ihnen entwickelte Technik ist zudem nicht auf Ionen beschränkt , sondern kann auch auf supraleitende Quantenschaltkreise, auf Nanopartikel oder Atome übertragen werden, wie sie erklären.
Quelle: Sebastian Saner (University of Oxford) et al., Physical Review X, 2026; doi: 10.1103/k1xk-yt42
