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Quantenzustände lassen sich nur unter hochkontrollierten Bedingungen erzeugen und beobachten. Einem Innsbrucker Forschungsteam ist es nun gelungen, in einem supraleitenden Mikrowellen-Resonator sogenannte „heiße“ Schrödinger-Katzen-Zustände zu erzeugen. Die in Science Advances veröffentlichte Arbeit zeigt, dass Quantenphänomene auch in weniger idealen, wärmeren Umgebungen beobachtet und genutzt werden können.
Schrödinger-Katzenzustände sind ein faszinierendes Phänomen der Quantenphysik, bei dem ein Quantenobjekt gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen existiert. In Erwin Schrödingers Gedankenexperiment ist es eine Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist. Im Labor wurde diese Gleichzeitigkeit an Atomen und Molekülen sowie in den Schwingungen elektromagnetischer Resonatoren beobachtet. Erzeugt wurden diese Analogien zu Schrödingers Gedankenexperiment bisher, indem das Quantenobjekt zunächst auf seinen Grundzustand, den Zustand mit der geringstmöglichen Energie, abkühlt wurde. Nun haben Wissenschaftler um Gerhard Kirchmair und Oriol Romero-Isart erstmals demonstriert, dass es möglich ist, Quantenüberlagerungen aus thermisch angeregten Zuständen zu erzeugen. „Auch Schrödinger ist in seinem Gedankenexperiment von einer lebenden, also ‚heißen‘ Katze ausgegangen“, schmunzelt Gerhard Kirchmair vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). „Wir wollten wissen, ob sich solche Quanteneffekte auch erzeugen lassen, wenn wir nicht vom ‚kalten‘ Grundzustand ausgehen“, so Kirchmair.
In ihrer Studie in der Fachzeitschrift Science Advances nutzten die Forscher ein supraleitendes Quantenbit in einem Mikrowellen-Resonator, um die Katzen-Zustände zu erzeugen. Dabei gelang es ihnen, die Quantenüberlagerungen bei Temperaturen von bis zu 1,8 Kelvin zu erzeugen – das ist sechzig Mal heißer als die Umgebungstemperatur im Hohlraum. „Unsere Ergebnisse belegen, dass es möglich ist, hochgradig gemischte Quantenzustände mit deutlichen Quanteneigenschaften zu erzeugen“, erklärt Ian Yang, der die in der Studie beschriebenen Experimente durchgeführt hat.
Die Forscher verwendeten zwei spezielle Protokolle, um die heißen Schrödinger-Katzen-Zustände zu erzeugen. Diese Protokolle wurden bisher hauptsächlich zur Erzeugung von kalten Katzen-Zuständen verwendet. „Es zeigte sich, dass leicht adaptierte Protokolle auch bei höheren Temperaturen funktionieren und dabei eine quantenmechanische Überlagerung von Zuständen erzeugen“, sagt Oriol Romero-Isart, bis vor kurzem Professor für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck und Forschungsgruppenleiter am IQOQI Innsbruck und seit 2024 Direktor des ICFO (Institute of Photonic Sciences) in Barcelona. „Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erzeugung und Nutzung von Quantenüberlagerungen zum Beispiel in nanomechanischen Oszillatoren, für die das Erreichen des Grundzustands eine Herausforderung darstellt.“
„Viele unserer Kollegen waren überrascht, als wir ihnen zum ersten Mal von unseren Ergebnissen erzählten, weil wir normalerweise davon ausgehen, dass Quanteneffekte durch Wärme zerstört werden“, ergänzt Thomas Agrenius, der ein theoretisches Verständnis des Experiments mitentwickelt hat. „Unsere Messungen bestätigen, dass die Quanteninterferenz auch bei hohen Temperaturen fortbestehen kann.“
Diese Forschungsergebnisse könnten der Entwicklung von Quantentechnologien zugutekommen. „Unsere Arbeit offenbart, dass es möglich ist, Quantenphänomene auch in weniger idealen, wärmeren Umgebungen zu beobachten und zu nutzen“, betont Gerhard Kirchmair „Wenn wir die richtigen Wechselwirkungen in einem System zur Verfügung haben, ist die Temperatur letztlich egal.“
Die Studie wurde unter anderem vom Österreichischen Forschungsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell gefördert.
Univ.-Prof. Dr. Gerhard Kirchmair
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck &
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
+43 512 507 4736
gerhard.kirchmair@uibk.ac.at
https://kirchmair.iqoqi.at/de/
Hot Schrödinger Cat States. Ian Yang, Thomas Agrenius, Vasilisa Usova, Oriol Romero-Isart, Gerhard Kirchmair. Science Advances 2025 DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adr4492 [arXiv:2406.03389]
Schrödingers Katze mag es auch warm
Harald Ritsch
Das Experiment wird in einem heliumgekühlten Kryostaten durchgeführt.
Dominik Pfeifer
FWF
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Schrödingers Katze mag es auch warm
Harald Ritsch
Das Experiment wird in einem heliumgekühlten Kryostaten durchgeführt.
Dominik Pfeifer
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