Schrödingers Katze wird zum Leben erweckt – was das mit Quantencomputern zu tun hat

Die Katze ist tot – oder lebendig. Vielleicht sogar beides zugleich. Mit diesem Gedankenexperiment versuchte der Physiker Erwin Schrödinger 1935, die rätselhaften Regeln der Quantenmechanik zu erklären. Jetzt haben Wissenschaftler der University of New South Wales (UNSW) dieses Konzept in die Realität überführt. In einem innovativen Experiment zeigten sie, wie sich komplexe Quantenphänomene nutzen lassen, um die Grundlage für stabilere und weniger fehleranfällige Quantenberechnungen zu schaffen.

Im Fokus ihrer Arbeit steht ein einzelnes Antimon-Atom, das als Modell für Schrödingers berühmte Katze dient. Diese Forschung könnte dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen in der Quantenforschung zu überwinden: die Fehleranfälligkeit von Quantencomputern.

Schrödingers Katze im Experiment ist ein Atom mit sieben Leben

Das Experiment nutzt ein schweres Antimon-Atom, dessen besondere Eigenschaften es für Quantenforschung prädestinieren. Der Kernspin dieses Atoms – eine Art magnetischer Kreisel – kann acht verschiedene Richtungen annehmen, während herkömmliche Quantenbits, sogenannte Qubits, nur zwischen zwei Zuständen wechseln: „0“ und „1“. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade ermöglichen eine stabilere Speicherung von Quanteninformationen.

„Unsere metaphorische ‚Katze‘ hat sieben Leben: Es wären sieben aufeinanderfolgende Fehler nötig, um die ‚0‘ in die ‚1‘ zu verwandeln“, erklärt Xi Yu, Hauptautor der Studie. Dies bedeutet, dass das Antimon-Atom in der Lage ist, Informationen selbst bei Störungen über längere Zeit hinweg zu bewahren. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung robuster Quantencomputer.

Zusätzlich beschreiben die Forscher die Quantenüberlagerung des Antimon-Spins als „makroskopisch“, da sie auf größerer Skala stattfindet als bei vielen herkömmlichen Qubits. Dies verdeutlicht, wie sich Schrödingers Gedankenspiel auf reale physikalische Systeme anwenden lässt.

Fortschritte bei der Fehlerkorrektur

Quantencomputer gelten als revolutionäre Technologie, doch sie sind auch extrem empfindlich. Schon minimale Störungen aus der Umgebung können Berechnungen verfälschen oder gänzlich unbrauchbar machen. Das Experiment des UNSW-Teams zeigt, wie sich dieses Problem gezielt angehen lässt.

„Ein einzelner oder auch nur wenige Fehler beeinträchtigen die Informationen nicht sofort“, sagt Professor Andrea Morello, der die Forschung leitete. Diese erhöhte Fehlertoleranz ist ein zentraler Schritt in Richtung zuverlässiger Quantenfehlerkorrektur. Fehler könnten frühzeitig erkannt und behoben werden, bevor sie sich summieren.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht und gelten als wichtiger Meilenstein in der Weiterentwicklung der Quantenforschung.

Technologie mit Zukunftspotenzial

Das Experiment beschränkt sich nicht auf theoretische Erkenntnisse. Ein entscheidender Durchbruch liegt in der Integration des Antimon-Atoms in einen Silizium-Quantenchip. Diese Struktur ähnelt den Chips, die in heutigen Computern und Smartphones verwendet werden. Die Verbindung von moderner Halbleitertechnik und Quantenforschung könnte den Weg für praktische Anwendungen ebnen.

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„Indem wir die atomare ‚Schrödinger-Katze‘ in einen Siliziumchip integrieren, gewinnen wir eine außergewöhnliche Kontrolle über ihren Quantenzustand – oder, wenn Sie so wollen, über Leben und Tod“, erklärt Dr. Danielle Holmes, die den Chip entwickelt hat. Gleichzeitig ermöglicht die Nutzung von Silizium eine Skalierung der Technologie mit etablierten Fertigungsmethoden. Das erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Quantenchips in Zukunft kostengünstig produziert werden können.

Den Forscher zufolge wird die Demonstration der Quantenfehlerkorrektur der nächste große Schritt sein. Sie gilt als „Heiliger Gral“ der Quantenforschung, da sie die Grundlage für leistungsfähige, skalierbare und stabile Quantencomputer bildet.

Internationale Zusammenarbeit für die Quantenforschung

Das Projekt zeigt auch, wie wichtig globale Kooperationen für den wissenschaftlichen Fortschritt sind. Die Arbeit wurde gemeinsam von Teams aus Australien, den USA und Kanada durchgeführt. Während die australischen Forscher den Quantenchip entwarfen und herstellten, unterstützten Kollegen aus den USA und Kanada mit theoretischen Modellen und Analysen.

Was du dir merken solltest:

• Schrödingers Katze im Experiment: Forscher der University of New South Wales haben ein Antimon-Atom verwendet, um Schrödingers Gedankenexperiment in der realen Welt nachzustellen. Dies veranschaulicht Quantenüberlagerungen auf makroskopischer Ebene.
• Robustere Quantenberechnungen: Durch den Kernspin des Antimon-Atoms, der acht Richtungen annehmen kann, wird eine höhere Fehlertoleranz erreicht. Sieben aufeinanderfolgende Fehler wären nötig, um gespeicherte Informationen vollständig zu zerstören.
• Technologie mit Potenzial: Das Experiment verbindet Quantenmechanik mit Siliziumchips und ermöglicht eine Skalierung mit bestehenden Fertigungsmethoden. Dies könnte Quantencomputer zuverlässiger und praktischer machen.

Bild: © UNSW Sydney / Richard Freeman