Supraleitung

Quantenspuk in der Makrowelt

Von Manfred Lindinger
09.10.2009
, 13:38
Die beiden supraleitenden Qubits (helle Quadrate auf äußerem grauen Streifen), drei Millimeter voneinander getrennt
Verschränkung war bisher nur als Zustand bei Photonen, Atomen und maximal Molekülen bekannt. Nun zeigten Forscher, dass das abgestimmte Verhalten zweier supraleitender Leiterschleifen sich nur mit der Quantentheorie erklären lässt.
ANZEIGE

Die Verschränkung - von Einstein einst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet - ist wohl das seltsamste Phänomen der Quantentheorie. Zwei miteinander verschränkte Teilchen verhalten sich stets wie ein siamesisches Zwillingspaar, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Bestimmt man durch eine Messung die Eigenschaft eines Teilchens - etwa die Polarisation eines Photons -, wird augenblicklich auch der Quantenzustand des Partners festgelegt. Heutzutage sieht man die Verschränkung weitgehend als Essenz der Quantenphysik an, der sich Photonen, Atome und Moleküle fügen müssen. Doch das ist offenkundig nicht die ganze Wahrheit. Forscher von der University of California in Santa Barbara haben nun herausgefunden, dass auch zwei makroskopische Leiterschleifen unter bestimmten Bedingungen eine "Fernwirkung" aufeinander ausüben können, die sich nicht mit klassischen Argumenten erklären lässt.

Die Forscher um John Martinis haben mit zwei wenige Millimeter großen Leiterschleifen aus Aluminium experimentiert, die über einen Resonator gekoppelt sind. Jede Leiterbahn enthält einen winzigen supraleitenden Tunnelkontakt. Wird die Anordnung mit flüssigem Helium bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt, fließt der elektrische Strom ohne jeglichen Widerstand. Die Ursache sind sogenannte Cooper-Paare, zu denen sich jeweils zwei Leitungselektronen bei extremer Kälte zusammenschließen. Paarweise können die Elektronen die Josephson-Kontakte durchdringen, als stünde ihnen nichts im Weg.

Quantenbits mit Stromrichtung als Information

ANZEIGE

Das Bauteil weist noch eine weitere Besonderheit auf: Während in herkömmlichen Leiterschleifen der elektrische Strom entweder nur links- oder nur rechtsherum laufen kann, fließt er hier in beiden Richtungen gleichzeitig. Da sich die eine Stromrichtung als Zustand "0" und die andere als Zustand "1" interpretieren kann, wird jede Leiterschleife gewissermaßen zu einem makroskopischen Quantenbit oder Qubit. Mit kurzen Mikrowellenpulsen können Martinis und seine Kollegen die Richtung der Ströme regeln und damit festlegen, ob eine Leiterschleife den Quantenzustand "0" oder "1" einnimmt.

Die Wissenschaftler haben nun getestet, wie stark sich die beiden Quantenbits gegenseitig beeinflussen. Dazu bestrahlten sie die über den elektromagnetischen Resonator gekoppelten Leiterschleifen mit einer Sequenz von Mikrowellenpulsen. Dabei wurde viele Male die Stromrichtung in einer Leiterschleife verändert und gemessen, wie sich der Strom in der anderen Leiterschleife verhielt. Dabei zeigte sich, dass immer, wenn sich die Cooper-Paare in einem Supraleiter im Uhrzeigersinn bewegten, der Strom in der anderen Schleife stets entgegen dem Uhrzeigersinn floss. Offenbar bestand eine strenge Korrelation zwischen den beiden Quantenbits, die indes nicht zu beobachten gewesen wäre, hätte es sich um gewöhnliche Schaltkreise gehandelt.

ANZEIGE

Bestätigung über Bellsche Ungleichung

Den endgültigen Beweis, dass es sich bei der beobachteten Korrelation tatsächlich um eine quantenmechanische Verschränkung handelte, zeigten schließlich die sogenannte Bellschen Ungleichungen, die als eine Art Lackmustest der Quantenphysik gelten. Der irische Physiker John Bell hatte 1964 mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine mathematische Ungleichung formuliert, die die Messwerte klassischer Systeme zwangsläufig erfüllen müssen, die Messwerte quantenphysikalischer Systeme aber verletzen. Mit seinem Kunstgriff war es Bell damals gelungen, den Streit darüber zu beenden, ob korrelierte Teilchen schon vor der Messung alle Eigenschaften des Partners kennen - ohne dass jemand die Informationen auffinden kann - oder ob die Verschränkung eine Eigenart der Quantentheorie an sich ist, die der Relativitätstheorie widerspricht, wonach sich keine Information schneller ausbreiten kann als das Licht.

Die Ergebnisse von Martinis und seinen Kollegen sind eindeutig und zeigen, dass es sich bei der beobachteten Korrelation tatsächlich um einen Quanteneffekt handelt ("Nature", Bd. 461, S. 504). Die Forscher haben bei ihren Versuch zudem ein "Schlupfloch" geschlossen, das bei Experimenten mit verschränkten Photonen meist offen geblieben ist. Da stets nur ein Teil der Lichtteilchen nachgewiesen werden kann, ist es denkbar, dass nur eine Stichprobe zur Verschränkung beiträgt. Bei den Messungen der supraleitenden Quantenbits besteht nach Aussagen der Forscher keine Nachweislücke, die einen Zweifel an der Verschränkung zulässt. Es sind stets alle Qubits registriert worden.

ANZEIGE
Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
Zertifikate
Weiterbildung in der Organisationspsychologie
Sprachkurse
Lernen Sie Italienisch
Englisch
Verbessern Sie Ihr Englisch
ANZEIGE