Erwin Schrödinger hatte 1935 das Gedankenexperiment mit der Quantenkatze aufgebracht, in dem die Katze zusammen mit einem radioaktivem Präparat, einem Detektor und einer tödlichen Menge Gift in einer Kiste eingeschlossen ist. Sollte der radioaktive Stoff zerfallen, schlägt der Detektor Alarm und das Gift wird freigesetzt. Das Besondere daran: Nach den Regeln der Quantenmechanik ist anders als im Alltag nicht klar, ob die Katze tot ist oder lebendig. Sie wäre beides gleichzeitig, und zwar so lange, bis ein Experimentator nachschaut.

Skizze des Experiments: Rubidiumatome werden mithilfe von Laserstrahlen eingefangen (rot). Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den sogenannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden.

Skizze des Experiments: Rubidiumatome werden mithilfe von Laserstrahlen eingefangen (rot). Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den sogenannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden. Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer

Bereits seit Beginn der 1980er Jahre sind Forscher in der Lage, diese Überlagerung von Quantenzuständen mittels verschiedener Ansätze experimentell im Labor zu realisieren. „Diese Überlagerungszustände sind allerdings extrem empfindlich. Schon kleinste thermische Wechselwirkungen mit der Umgebung lassen sie kollabieren“, erklärt Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich. „Aus diesem Grund kann man bis jetzt auch nur deutlich weniger Quantenbits im Zustand von Schrödingers Katze realisieren als solche, die unabhängig voneinander existieren.“

Von Letzterem können Forscher mittlerweile mehr als 50 in Laborexperimenten kontrollieren. Doch diese Qubits, weisen nicht die Merkmale von Schrödingers Katze auf; anders dagegen die 20 Qubits, die das Forscherteam nun erzeugt hat: ein Rekordwert, der den 2011 aufgestellten Rekord von 14 Qubits schlägt. Neben den Jülicher Forschern waren Wissenschaftler zahlreicher amerikanischer Spitzenuniversitäten – Harvard, Berkeley, MIT und Caltech – sowie der italienischen Universität Padua am Experiment beteiligt.

Mehr als nur 0 und 1

Qubits, die aufgrund des Überlagerungsprinzips mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, können mehrere Werte parallel in einem Schritt speichern und verarbeiten. Ganz entscheidend ist dabei die Anzahl der Qubits. Bei 20 Qubits liegt die Zahl der sich überlagernden Zustände bereits bei über einer Million. Und 300 Qubits können mehr Zahlen gleichzeitig speichern, als es Teilchen im Universum gibt.

Für ihr Experiment nutzten die Forscher einen programmierbaren Quantensimulator mit Atomen, die sich im Rydberg-Zustand befinden. Bei diesem Verfahren werden einzelne Atome, in diesem Fall Rubidiumatome, mithilfe von Lasern eingefangen und nebeneinander in einer Reihe auf ihrem Platz gehalten. Die Technik ist als „optische Pinzette“ bekannt. Ein weiterer zusätzlicher Laser regt die Atome an, bis etwa die Hälfte von ihnen den sogenannten Rydberg-Zustand erreicht, bei dem sich die Elektronen weit jenseits des Kerns befinden.

Dieser Prozess ist recht kompliziert und nimmt so viel Zeit in Anspruch, dass der empfindliche Katzenzustand in der Zwischenzeit schon wieder zerfällt. Im Experiment ist es jedoch gelungen, durch die Art und Weise wie der zweite Laser an- und ausgeschaltet wird, diese Zeit zu verkürzen. Praktisch blähen die Forscher die Atome soweit auf, bis ihre Atomhüllen mit benachbarten Atomen verschmelzen und simultan zwei entgegengesetzte Konfigurationen einnehmen. So ließ sich der Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand der Qubits nachweisen.