Quantum weirdness schlug 2019 erneut zu. Ein Experiment, das im Juni in Nature beschrieben wurde, löste eine leidenschaftliche Debatte aus, die Physiker seit über einem Jahrhundert spaltet und gleichzeitig neue Fragen aufwirft. Die Forscher kündigten an, einen Quantensprung in beispiellosen Details verfolgt zu haben, was zeigt, dass es möglich ist, nicht nur vorherzusagen, wann ein Teilchen springen könnte, sondern es auch — bizarr — in der Mitte des Hüpfens umzukehren.
„Die Geschichte der Quantenphysik hat mehr zu bieten, als wir dachten“, sagt der Physiker Zlatko Minev, ein Wissenschaftler bei IBM, der das Experiment an der Yale University leitete.
Die Idee eines Quantensprungs entstand 1913, als der dänische Physiker Niels Bohr die revolutionäre Idee einführte, dass Elektronen den Atomkern nur in diskreten Bahnen oder Energieniveaus umkreisen. Elektronen springen von einer Ebene zur anderen, vermutete Bohr, indem sie ein Energiepaket absorbieren oder emittieren, das als Quantum bezeichnet wird. Die Partikel können auf der einen oder anderen Ebene existieren, aber niemals dazwischen. Nach dieser Idee sind Quantensprünge augenblicklich und zufällig.
Andere Physiker haben gegen die Idee gewettert, dass ein Teilchen so abrupt springt. „Wie funktioniert ein Übergang, ohne jemals in der Mitte gewesen zu sein?“ fragt Minev. Um die Geheimnisse des mittleren Sprungs zu untersuchen, verwendeten Minev und seine Mitarbeiter ein „künstliches Atom“, einen Versuchsaufbau, der das Verhalten von Elektronen, einschließlich eines Quantensprungs, effektiv nachahmen kann.
Quantenzustände ändern sich, wenn sie direkt gemessen werden, um diese Falle zu vermeiden, beobachteten Minev und sein Team stattdessen einen Proxy: das Niveau der Photonen, die reflektiert oder absorbiert werden, wenn das System Zustände und Energieniveaus ändert. Sie sammelten und analysierten Daten im Mikrosekundenbereich, um nach Verhaltensweisen zu suchen, die in längeren Zeitintervallen nicht sichtbar waren. Der Yale-Physiker und Co-Senior-Autor Michel Devoret vergleicht es mit einem Film in Zeitlupe. „Wie im Kino kann man Dinge sehen, die man nicht mit hoher Geschwindigkeit sehen kann.“
Auf solch feinen Skalen erschien der Quantensprung weniger wie ein abrupter Ruck als vielmehr wie ein sanfter, kontinuierlicher Übergang von einem Energiezustand in einen anderen. Die Forscher stellten auch fest, dass das System vor einem Sprung ein subtiles Signal aussendete und dass sie mit einem sorgfältig kalibrierten Lichtimpuls bereits laufende Sprünge umkehren konnten. Die Manipulation von Quantenzuständen auf diese Weise, sagt Minev, könnte bei der Fehlerkorrektur von Quantencomputern nützlich sein.
Das Experiment bestätigt, dass das Teilchen während eines Quantensprungs tatsächlich in zwei Zuständen gleichzeitig existiert. „In einer typischen Quantenmode hatte Bohr gleichzeitig Recht und Unrecht“, sagt Minev.
