von DIRK EIDENMÜLLER
Selten hat eine wissenschaftliche Theorie ihre eigenen Begründer so sehr verärgert wie die Quantenmechanik. Als Theorie des Allerkleinsten beschreibt sie das Verhalten von Molekülen, Atomen und Elementarteilchen. Erwin Schrödinger hatte 1926 die nach ihm benannte Schrödinger-Gleichung aufgestellt, die bis heute als Fundament der Quantenmechanik gilt. Ihre Konsequenzen gefielen ihm allerdings überhaupt nicht: Laut dieser Theorie können sich Quantenobjekte – solange man ihren Zustand nicht mit einer Messung bestimmt – in eigenartigen Überlagerungszuständen befinden, in denen sie zwei unterschiedliche Eigenschaften gleichzeitig einnehmen. Schrödinger illustrierte dieses seltsame Verhalten im Gedankenexperiment mit einer Katze, die zugleich tot und lebendig sein kann (bdw 7/2021, „Streit um die Quantenwelt“).
Nun sind Katzen lebendige Wesen, die einen Metabolismus besitzen und ständig Materie mit ihrer Umwelt austauschen. Quantensysteme sind jedoch außerordentlich fragil. Es ist eine große experimentelle Herausforderung, selbst nur einzelne Atome in einen Überlagerungszustand zu bringen. „Eine wichtige und ungelöste Frage zu den Grundlagen der Quantenphysik ist deshalb, wie groß oder klein ein physikalisches System sein kann, das derartige Überlagerungszustände aufweist“, sagt Matteo Fadel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich.
Gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam aus der Schweiz, Dänemark und Deutschland ist es ihm nun gelungen, ein ungewöhnlich schweres Stück von Materie in einem Überlagerungszustand zu präparieren. Das dynamische Verhalten dieses Quantensystems nutzten die Forscher dann, um die Grundlagen der Quantenmechanik zu überprüfen. „Wir haben einen Aufbau geschaffen, mit dem wir bis zu 16 Mikrogramm Materie in einem Saphir-Kristall in eine solche Überlagerung bringen konnten“, berichtet Fadel.
Das ist zwar vom Gewicht her noch ein gewaltiges Stück weit von Katzen entfernt, stellt aber bereits eine große Anzahl von Atomen dar: In 16 Mikrogramm Saphir sind rund 1017 Atome enthalten, also 100 Millionen Milliarden.
Viele andere Experimente konnten schon früher Überlagerungszustände von komplexer Materie nachweisen – doch nicht in diesem Ausmaß. Wenn man etwa große Moleküle an einem Gitter interferieren lässt, treten ebenfalls quantentypische Superpositionsmuster auf. Das funktioniert bislang mit Molekülen aus rund 1000 Atomen. Atom-Interferometer können heute Moleküle mit rund 2000 Atomen in Überlagerung bringen. Und in quantenmäßiger Überlagerung schwingende Nanomembranen enthalten bereits über eine Milliarde Atome.
