Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Ein verschränkter Atom-Licht-Zustand realisiert ein paradoxes Gedankenexperiment Erwin Schrödingers

Ein altes Gedankenexperiment erscheint jetzt in neuem Licht. Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment mit einer Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist. Eine Gruppe von Forschern um Gerhard Rempe, Direktor der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, hat im Labor nun eine optische Version des Experimentes umgesetzt, in der Lichtpulse die Rolle der Katze übernehmen. Die Erkenntnisse helfen, Lichtzustände besser kontrollieren und sie in Zukunft für die Quantenkommunikation nutzen zu können.

Gleichzeitig tot und lebendig: Schrödingers Katze ist mit einem Atom verschränkt. Ist das Atom angeregt, so lebt die Katze. Ist es zerfallen, so ist die Katze tot. Im Experiment bildet ein Lichtpuls die beiden Zustände nach (Hügel) und kann sich wie die Katze in einer Überlagerung aus beiden befinden. © Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich (NIM) Gleichzeitig tot und lebendig: Schrödingers Katze ist mit einem Atom verschränkt. Ist das Atom angeregt, so lebt die Katze. Ist es zerfallen, so ist die Katze tot. Im Experiment bildet ein Lichtpuls die beiden Zustände nach (Hügel) und kann sich wie die Katze in einer Überlagerung aus beiden befinden. © Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich (NIM)

Nach Erwin Schrödingers Idee kann ein mikroskopisches Teilchen, wie zum Bei-spiel ein Atom, sich gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Zuständen befinden. Man spricht dann von Überlagerung. „Wenn das mikroskopische Teilchen zudem mit einem makroskopischen Objekt verschränkt wird, kann es seine Überlagerung auch an dieses weitergeben“, erklärt Gerhard Rempe. „Daraus ergibt sich das Beispiel von einer Katze, die in Abhängigkeit vom Zerfall eines radioaktiven Atoms zugleich lebendig und tot sein kann – eine Vorstellung, die jeglicher Alltagserfahrung widerspricht.“

Um das geradezu philosophische Gedankenexperiment im Labor umzusetzen, bedienen sich Physiker verschiedener Modellsysteme. Einen konkreten Vor-schlag, bei dem die Katze durch einen überlagerten Lichtpuls dargestellt wird, formulierten die beiden Theoretiker Baigeng Wang und Luming Duan im Jahr 2005. Die erforderlichen experimentellen Techniken, insbesondere geeignete Lichtresonatoren, haben Physiker in der Arbeitsgruppe von Gerhard Rempe in den vergangenen Jahren entwickelt.

Ein Test für den Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik

Allerdings waren alle beteiligten Wissenschaftler skeptisch, ob sich diese quantenmechanisch überlagerten „Katzenzustände“ mit der entwickelten Technik bereits erzeugen und eindeutig nachweisen lassen. Erst indem die Forscher alle optischen Verluste in der Messapparatur reduzierten, schafften sie hierfür die Voraussetzungen. Alle Messungen bestätigten nun die Vorhersagen Schrödingers. Das Experiment ermöglicht es den Wissenschaftlern, den Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik auszuloten und neue Techniken für die Quantenkommunikation zu entwickeln.

Ein Atom wird im Resonator zwischen zwei Spiegeln gefangen (links). Ein Licht-puls, der am Resonator reflektiert wird, ist daraufhin mit dem Atom verschränkt und kann als überlagerter Katzenzustand frei fliegen (rechts). © Bastian Hacker, MPI für Quantenoptik (MPQ) Ein Atom wird im Resonator zwischen zwei Spiegeln gefangen (links). Ein Licht-puls, der am Resonator reflektiert wird, ist daraufhin mit dem Atom verschränkt und kann als überlagerter Katzenzustand frei fliegen (rechts). © Bastian Hacker, MPI für Quantenoptik (MPQ)

Das Labor am Max-Planck-Institut in Garching ist mit etlichen Werkzeugen der Quantenoptik ausgestattet: Eine Vakuumkammer und hochgenaue Laser, mit deren Hilfe die Wissenschaftler ein einzelnes Atom isolieren können. Das Herzstück ist ein optischer Resonator, dessen zwei Spiegel ein winziger Spalt von 0,5 Millimeter trennt. Durch Reflexion im Resonator tritt ein Laserpuls mit einem darin gefangenen Atom in Wechselwirkung und wird mit diesem verschränkt. Eine geeignete Messung am Atom bringt den Laserpuls daraufhin in einen überlagerten Zustand, in dem das Lichtsignal unabhängig vom Atom als Schrödingers Katze weiter existiert und davonfliegt. Eine Besonderheit des Experiments ist, dass die verschränkten Zustände deterministisch erzeugt werden können. Das bedeutet, dass bei jedem einzelnen Versuch auch ein Katzenzustand entsteht.

Ein Zustandszoo für die künftige Quantenkommunikation

„Es ist uns gelungen, fliegende optische Katzenzustände herzustellen und zu zeigen, dass sie den Vorhersagen der Quantenmechanik entsprechen“, sagt Doktorand Stephan Welte. Die Erkenntnisse haben aber nicht nur grundlegende Bedeutung für die Quantenphysik, sie könnten auch in die Entwicklung einer künftigen Quantenkommunikation einfließen. „In unserem Experiment können wir nicht nur einen bestimmten Katzenzustand herstellen, sondern beliebig viele mit unterschiedlichen Phasen der Überlagerung – also quasi einen ganzen Zoo. Das könnte in Zukunft genutzt werden, um Quanteninformation zu kodieren“, sagt Bastian Hacker, der ebenfalls am Max-Planck-Institut für Quantenoptik promoviert.

In einem Punkt weichen die optischen Überlagerungszustände der Garchinger Forscher vom Zustand Schrödingers Katze ab. Das physikalische Haustier war in einer Kiste eingesperrt, um Wechselwirkungen mit der Umgebung auszuschließen. Dagegen fliegen die optischen Katzenzustände, wie sie die Physiker nun realisiert haben, frei. Trotzdem bleiben sie von ihrer Umgebung isoliert und können somit über weite Distanzen aufrecht erhalten bleiben. „In Zukunft möchten wir mit dieser Technologie ganze Quantennetzwerke aufbauen, bei der fliegende optische Katzen Information übertragen“, sagt Gerhard Rempe.

JG/MPQ