Zwischen Schrödingers Katze und Qubits

Viele von uns haben schon mal von „Schrödingers Katze“ gehört, aber was ist das genau?

Ein österreichischer Physiker entwickelte im Jahr 1935 ein Gedankenexperiment:

Eine Katze ist in einer Stahlkammer eingesperrt. In dieser Stahlkammer befindet sich auch ein Geigerzähler, eine radioaktive Substanz, eine kleine Giftflasche und ein Hammer. Sobald der Geigerzähler einen radioaktiven Zerfall misst, wird die Flasche zerschlagen, was die Katze tötet. Da radioaktiver Zerfall zufällig ist und zu keinem bestimmtem Zeitpunkt eintritt, weiß man nicht, ob die Katze tot oder lebendig ist, ehe man die Kammer aufmacht. Kann man bis dahin sagen, dass die Katze tot und lebendig zugleich ist? Wissenschaftlich gesprochen, befände sich die Katze damit in einem Überlagerungszustand, oder Superposition. Große Systeme (wie eine ganze Katze) können solche Zustände aber nicht einnehmen.

Doch von was ist hier dann die Rede?

(Bild: Dhatfield/wikimedia)

Durch dieses Gedankenexperiment hat der österreichische Physiker Erwin Schrödinger ein Paradoxon aufgestellt. Dabei problematisiert das Experiment die Übertragung der Quantenmechanik auf die makroskopische Welt. Kurz gesagt, Objekte in der Quantenmechanik besitzen nicht nur einen Zustand, sondern gleich mehrere, so wie die Katze tot und lebendig zugleich ist.

Schwer vorstellbar, oder? 

Zugegeben, die Quantenmechanik ist eines der unwirklichsten und komplexesten Teilgebiete der Physik. Sie unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Physik und scheint sogar gegen einige Prinzipien zu widersprechen. In der klassischen Physik kann man aus Sicht des Alltagsverstandes vieles als fast schon selbstverständlich ansehen, während das bei der Quantenmechanik nicht der Fall ist. Die Prinzipien der Quantenmechanik basieren nur auf Theorien und Interpretationen, mit dem das Verhalten von quantenmechanischen Objekten, wie z.B. Elementarteilchen, Atomen, Molekülen detailliert beschrieben werden kann.

(Bild: earthangel-family.de)

Doch auch wenn Quantenphysik fernab jeglicher Realität erscheint, gibt es durchaus Ansätze, diese Prinzipien auf reale Systeme unserer Welt zu übertragen. Dabei arbeiten Wissenschaftler schon seit einigen Jahren an sogenannten Quantenbits, auch Qubits genannt. Rainer Blatt, ein deutsch-österreichischer Physiker, gelang im Jahre 2005 die Erzeugung eines Quantenregisters mit 8 verschränkten Qubits.

Doch was sind eigentlich Qubits?

Qubits sind dabei eine neue Form von herkömmlichen Bits. Also die kleinste Informationseinheit in einem normalen Computer. Ein Bit kann dabei nur zwei Zustände annehmen (0 und 1), was durch bestimmte elektrische Bauteile, wie Transistoren realisiert wird. Doch ein Bit kann niemals zwei Zustände gleichzeitig einnehmen, so wie im Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger. 

(Bild: computerstories.net)

Genau hier kommen die Qubits ins Spiel. Diese abgewandelten Bits können zwei Zustände gleichzeitig annehmen, also eine Superposition erreichen. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik ist die Katze in der Kammer also ein sogenanntes Qubit (tot und lebendig).

(Bild: simanaitissays.com)

Was ist nun der Nutzen davon?

Mithilfe von Quantenbits wären Wissenschaftler in der Lage, einen sogenannten Quantencomputer zu entwickeln, der jeden herkömmlichen Computer in den Schatten stellen würde. Die Realisierung eines solchen Computers würde bestimmte Probleme effizienter und schneller lösen, doch die Architektur scheint noch völlig unklar und wird auch in den kommenden Jahren nur Zukunftsmusik sein.