In der Welt der Grundlagenwissenschaften ist ein Ereignis eingetreten, das unsere Vorstellung von Quanteningenieurwesen revolutionieren könnte. Physiker der Universität Oxford haben erfolgreich ein Experiment durchgeführt, das zuvor als rein theoretisches Konzept galt. Den Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, in der Praxis willkürliche Superpositionen aus unregelmäßigen und „gequetschten' Zuständen eines quantenmechanischen harmonischen Oszillators zu erzeugen.

Bis zu diesem Zeitpunkt existierten derartige exotische Kombinationen nur in Gleichungen. Praktische Untersuchungen beschränkten sich auf die Erzeugung bekannter „Schrödinger-Katzen'-Zustände – einer anschaulichen Illustration der Quantensuperposition, bei der sich ein Objekt gleichzeitig in zwei Zuständen befindet. Die Oxford-Forschungsgruppe konnte diese Grenzen überschreiten und eine neue Ära der Quantenmechanik einläuten.

Ein einzelnes Ion als Basis eines komplexen Systems

Um diesen bahnbrechenden Erfolg zu erzielen, nutzten die Wissenschaftler eine höchst präzise Versuchsanordnung. Im Zentrum des Experiments stand ein einzelnes Strontium-88-Ion, das in einer Paul-Falle gefangen war. In diesem System waren die Rollen wie folgt verteilt: Die inneren elektronischen Energieniveaus des Ions fungierten als Qubit, während seine mechanischen Schwingungen die Rolle des quantenmechanischen harmonischen Oszillators übernahmen.

Der Schlüssel zum Erfolg bestand in der Verschränkung der Bewegung des Ions mit seinem Spin-Zustand. Dies gelang durch nichtlineare Wechselwirkungen verschiedener Ordnungen, die vom Spin des Teilchens abhingen. Diese Methode ermöglichte eine Steuerung des Quantenzustands mit beispielloser Präzision.

Negative Wahrscheinlichkeit als Beweis

Die Experten erstellten eine detaillierte Landkarte der Zustände im Phasenraum und verzeichneten darin ein klares Interferenzmuster. Das Bemerkenswerteste an diesem Muster waren die Tiefen, die in den negativen Bereich reichten. In der klassischen Physik kann die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses nicht negativ sein – dies widerspricht der Vernunft.

Genau dieser Parameter wurde jedoch zum Hauptbeweis dafür, dass sich vor den Forschern eine echte Quantensuperposition gebildet hatte und nicht bloß eine Summe gewöhnlicher Wahrscheinlichkeiten. Das Auftreten negativer Werte auf der Karte ist der „Fingerabdruck' der Quantennatur des Systems, der in der klassischen Welt unerreichbar ist.

Von der Theorie zur Technik

Die Universalität der entwickelten Methode eröffnet weite Horizonte für zukünftige Forschungen. Die Technologie lässt sich auf beliebige Systeme mit Spin-Oszillator-Kopplung übertragen. Zu den potenziellen Anwendungsbereichen des Verfahrens gehören:

  • Supraleitende Schaltkreise;
  • Atome in optischen Resonatoren;
  • Nanopartikel in Fallen.

Dadurch verwandeln sich komplexe nichtklassische Zustände von abstrakten mathematischen Übungen in reale Werkzeuge der Quanteningenieurwissenschaft. Derzeit arbeiten Spezialisten und Theoretiker weiterhin an der quantitativen Bewertung der „Quantigkeit' der erzeugten Zustände, um diese in neuen Technologien so effektiv wie möglich einzusetzen.