Theorie zur Beobachtung makroskopischer Quanteneffekte

Während Quantenmechanik auf mikroskopischen Skalen bestens erforscht und getestet wurde, sind quantenmechanische Experimente mit vergleichsweise großen Systemen eine neuere Entwicklung. Das grundsätzliche Ziel ist ein experimenteller Nachweis eines "makroskopischen Quanteneffekts". Dafür ist ein theoretischer Rahmen notwendig, der diesen Begriff wohl definiert. Insbesondere soll ein solcher Effekt von einem Quanteneffekt auf Basis mikroskopischer Vorgänge unterschieden werden. Die erfolgreiche Demonstration eines makroskopischen Quanteneffekts wäre ein wichtiger Beitrag: einerseits zur Frage nach der Gültigkeit der Quantentheorie auf großen Skalen; andererseits zur Weiterentwicklung technischer Anwendungen wie dem Quantenrechnen oder Quantenmetrologie. Erste Schritte zur Entwicklung einer solchen Theorie wurden bereits gemacht. Neben anderen Arbeiten schlugen wir die sogenannte Quanten Fisher Information (QFI) zur Charakterisierung von makroskopischen Quantenzuständen in endlich-dimensionalen Hilberträumen vor. Diese Definition vereint im großen Umfang Ansätze anderer Autoren und bietet eine hinreichende und experimentell verifizierbare Bedingung für die "Makroskopizität" eines Quantenzustands. Dieser Antrag auf ein Erwin-Schrödinger Stipendium hat folgende Ziele: Analyse aktueller Experimente, welche auf die Erzeugung von makroskopischen Quanteneffekten abzielen, und basierend auf den theoretischen Erkenntnissen Vorschläge für neue Experimente. Weiterentwicklung des QFI-Rahmens und anderer hinreichender Bedingungen für Makroskopizität und Erweiterung auf andere physikalischer Systeme. Vergleich des QFI-Rahmens mit Theorien zur Erklärung der scheinbar klassischen Welt, die auf Ansätzen wie Dekohärenz und Messungenauigkeiten beruhen. Die Gastinstitution für dieses Projekt ist die Gruppe der angewandten Physik der Univerität Genf. Neben einem beachtlichen internationalen Ruf bietet diese Gruppe ein breites Wissen auf dem vorliegenden Gebiet und eine attraktive Mischung aus Experimentalphysikern und Theoreikern.

Dass die Quantentheorie seltsame Eigenschaften besitzt war deren Gründungsvätern und -müttern Anfang des 20. Jahrhunderts recht schnell klar. Eine dieser Eigenschaften ist das sogenannte Überlagerungsprinzip. Es bedeutet zum Beispiel, dass wenn die Theorie es einem Atom gestattet, im abgeregten Grundzustand oder im angeregten Zustand zu sein, dann ist es auch möglich, dass es zur selben Zeit ab- und angeregt ist. Dies widerspricht unserer klassischen Logik vollkommen. Andererseits wurde die Quantenmechanik zur Erklärung von atomaren Vorgängen entwickelt, welche sich einer direkten Beobachtung entzogen. Das Problem wurde somit weit von alltäglicher Erfahrung weggeschoben. Erwin Schrödinger machte jedoch im Jahr 1935 darauf aufmerksam, dass sich diese Bizarrerie --zumindest in Gedankenspielen-- leicht auf alltägliche Objekte ausdehnen ließe; zum Beispiel indem die atomare Unbestimmtheit auf eine Katze übertragen wird, die sozusagen gleichzeitig tot und lebendig ist.Für viele Jahrzehnte waren es mehr philosophie-interessierte Physiker, die sich mit interpretatorischen Fragen der berühmten Schrödinger-Katze auseinander setzten. In den letzten Jahren gelingt es aber immer besser, größere Gruppen von Atomen oder Photonen gleichzeitig in einem Quantenexperiment zu kontrollieren. Auch wenn wir von wahren "Katzengrößen" weit entfernt sind, ergeben sich daraus viele praktische Fragen: Welche experimentelle Anordnung kann als "realistisches" Pendant der Schrödinger-Katze angesehen werden? Was sind die genauen Implikationen von einem erfolgreichen Experiment für die Deutung der Quantenmechanik auf meso- oder makroskopischen Skalen? Welche Messungen müssen genau durchgeführt werden, um die gewünschten Aussagen tätigen zu können? Seit meiner Doktorarbeit habe ich mich mit diesen und ähnlichen Fragen beschäftigt. Vor Beginn dieses Projekts entwickelte ich zusammen mit meinem Betreuer ein theoretisches Rahmenkonzept, in dem die erwähnten Fragen für große Gruppen von Atomen behandelt werden können. Das Ziel war es, "echte" makroskopische Quanteneffekte (wie z.B. Schrödingers Katze) von aufsummierten mikroskopischen Quanteneffekte (d.h. viele Kopien von einem kleinen Effekt) zu unterscheiden. Die Hauptergebnisse des aktuellen Projekts sind: (i) erfolgreiche Erweiterung des Konzepts auf Photonen-Systeme; (ii) Vorschläge für experimentelle Tests unseres Rahmenkonzepts; (iii) Verbesserungsvorschläge für experimentelle Schwierigkeiten; (iv) Theoretische Beiträge zur "Quantunschätztheorie", die mit unserem Konzept viel gemeinsam hat.Unsere Arbeiten sind kleine, aber wichtige Schritte hin zu einem besseren Verständnis der Quantenmechanik auf großen Skalen. Sie klären auf, wie man eine Schrödinger-Katze in einem Quantenexperiment verwirklichen kann.