Als die Quantenmechanik vor einem Jahrhundert zum ersten Mal als Theorie zum Verständnis der atomaren Welt entwickelt wurde, war eines ihrer Schlüsselkonzepte so radikal, kühn und kontraintuitiv, dass es in die populäre Sprache überging: der „Quantensprung“. Puristen könnten dies ablehnen Die übliche Angewohnheit, diesen Begriff auf eine große Veränderung anzuwenden, übersieht den Punkt, an dem Sprünge zwischen zwei Quantenzuständen typischerweise winzig sind, weshalb sie nicht früher bemerkt wurden. Aber der wahre Punkt ist, dass sie plötzlich sind. So plötzlich, dass viele der Pioniere der Quantenmechanik annahmen, sie seien augenblicklich.
Ein neues Experiment zeigt, dass dies nicht der Fall ist. Indem die Arbeit eine Art High-Speed-Film mit einem Quantensprung erstellt, zeigt sie, dass der Prozess so langsam abläuft wie das Schmelzen eines Schneemanns in der Sonne. "Wenn wir einen Quantensprung schnell und effizient genug messen können", sagte Michel Devoret von der Yale University, "ist dies ein kontinuierlicher Prozess." Die Studie, die von Zlatko Minev, einem Doktoranden in Devorets Labor, geleitet wurde, wurde am veröffentlicht Montag in der Natur. Kollegen sind schon aufgeregt. "Das ist wirklich ein fantastisches Experiment", sagte der Physiker William Oliver vom Massachusetts Institute of Technology, der an der Arbeit nicht beteiligt war. "Wirklich großartig."
Aber es gibt noch mehr. Mit ihrem Hochgeschwindigkeitsüberwachungssystem konnten die Forscher erkennen, wann ein Quantensprung bevorsteht, ihn auf halbem Weg „einfangen“und umkehren, wodurch das System in den Zustand zurückversetzt wurde, in dem es gestartet war. Auf diese Weise wird nun gezeigt, dass das, was den Quantenpionieren als unvermeidbare Zufälligkeit in der physischen Welt erschien, kontrollierbar ist. Wir können das Quant übernehmen.
Alles zu zufällig
Die Abruptheit von Quantensprüngen war eine zentrale Säule der Art und Weise, wie die Quantentheorie Mitte der 1920er Jahre von Niels Bohr, Werner Heisenberg und ihren Kollegen in einem Bild formuliert wurde, das heute allgemein als Kopenhagen-Interpretation bezeichnet wird. Bohr hatte zuvor argumentiert, dass die Energiezustände von Elektronen in Atomen „quantisiert“werden: Ihnen stehen nur bestimmte Energien zur Verfügung, während alle dazwischen liegenden verboten sind. Er schlug vor, dass Elektronen ihre Energie ändern, indem sie Quantenteilchen des Lichts - Photonen - absorbieren oder emittieren, deren Energien der Lücke zwischen erlaubten Elektronenzuständen entsprechen. Dies erklärte, warum Atome und Moleküle sehr charakteristische Wellenlängen des Lichts absorbieren und emittieren - warum viele Kupfersalze beispielsweise blau und Natriumdampflampen gelb sind.
Bohr und Heisenberg begannen in den 1920er Jahren, eine mathematische Theorie dieser Quantenphänomene zu entwickeln. Heisenbergs Quantenmechanik zählte alle erlaubten Quantenzustände auf und nahm implizit an, dass die Sprünge zwischen ihnen augenblicklich sind - diskontinuierlich, wie Mathematiker sagen würden. "Der Begriff der sofortigen Quantensprünge … wurde zu einem grundlegenden Begriff in der Kopenhagener Interpretation", schrieb die Wissenschaftshistorikerin Mara Beller.
Ein anderer Architekt der Quantenmechanik, der österreichische Physiker Erwin Schrödinger, hasste diese Idee. Er entwarf eine Alternative zu Heisenbergs Mathematik diskreter Quantenzustände und sofortiger Sprünge zwischen ihnen. Schrödingers Theorie stellte Quantenteilchen in Form von wellenförmigen Einheiten dar, die Wellenfunktionen genannt werden und sich wie sanfte Wellen auf offener See nur gleichmäßig und kontinuierlich im Laufe der Zeit ändern. Die Dinge in der realen Welt ändern sich nicht plötzlich, dachte Schrödinger, und diskontinuierliche „Quantensprünge“waren nur eine Erfindung des Geistes. In einer Arbeit von 1952 mit dem Titel „Gibt es Quantensprünge?“Antwortete Schrödinger mit einem klaren Nein. Seine Verärgerung war allzu offensichtlich, als er sie „Quantensprünge“nannte.
Das Argument handelte nicht nur von Schrödingers Unbehagen mit plötzlichen Veränderungen. Das Problem bei einem Quantensprung bestand auch darin, dass er nur zu einem zufälligen Zeitpunkt auftrat - ohne zu sagen, warum dieser bestimmte Moment geschah. Es war also ein Effekt ohne Ursache, ein scheinbarer Zufall, der in das Herz der Natur eingefügt wurde. Schrödinger und sein enger Freund Albert Einstein konnten nicht akzeptieren, dass Zufall und Unberechenbarkeit auf der grundlegendsten Ebene der Realität herrschten. Nach Ansicht des deutschen Physikers Max Born war die gesamte Kontroverse daher "weniger eine interne Angelegenheit der Physik als vielmehr eine ihrer Beziehungen zur Philosophie und zum menschlichen Wissen im Allgemeinen." nicht) von Quantensprüngen.
Sehen ohne zu schauen
Um weiter zu untersuchen, müssen wir Quantensprünge nacheinander sehen. 1986 berichteten drei Forscherteams, dass sie in einzelnen Atomen vorkommen, die durch elektromagnetische Felder im Weltraum suspendiert sind. Die Atome wechselten zwischen einem „hellen“Zustand, in dem sie ein Lichtphoton emittieren konnten, und einem „dunklen“Zustand, der nicht in zufälligen Momenten emittierte und einige Zehntelsekunden in dem einen oder anderen Zustand blieb und ein paar Sekunden vor dem nächsten Sprung.
Seitdem wurden solche Sprünge in verschiedenen Systemen beobachtet, von Photonen, die zwischen Quantenzuständen wechseln, bis zu Atomen in festen Materialien, die zwischen quantisierten magnetischen Zuständen springen. 2007 meldete ein Team in Frankreich Sprünge, die dem entsprechen, was sie "Geburt, Leben und Tod einzelner Photonen" nannten.
In diesen Experimenten sahen die Sprünge tatsächlich abrupt und zufällig aus - es war nicht abzusehen, wann sie eintreten würden, da das Quantensystem überwacht wurde, und es gab auch kein detailliertes Bild davon, wie ein Sprung aussah. Im Gegensatz dazu erlaubte die Aufstellung des Yale-Teams, vorauszusehen, wann ein Sprung kommen würde, und dann näher heranzuzoomen, um ihn zu untersuchen. Der Schlüssel zum Experiment ist die Fähigkeit, nahezu alle verfügbaren Informationen darüber zu sammeln, sodass keine Informationen in die Umgebung gelangen, bevor sie gemessen werden können. Nur dann können sie einzelne Sprünge so detailliert verfolgen.
Die von den Forschern verwendeten Quantensysteme sind viel größer als Atome und bestehen aus Drähten aus einem supraleitenden Material - manchmal auch als „künstliche Atome“bezeichnet -, da sie diskrete Quantenenergiezustände aufweisen, die den Elektronenzuständen in realen Atomen entsprechen. Sprünge zwischen den Energiezuständen können wie bei Elektronen in Atomen durch Absorption oder Emission eines Photons induziert werden.
Devoret und Kollegen wollten sehen, wie ein einzelnes künstliches Atom zwischen seinem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) und einem energetisch angeregten Zustand springt. Sie konnten diesen Übergang jedoch nicht direkt überwachen, da eine Messung an einem Quantensystem die Kohärenz der Wellenfunktion - ihr glattes wellenförmiges Verhalten - zerstört, von der das Quantenverhalten abhängt. Um den Quantensprung beobachten zu können, mussten die Forscher diese Kohärenz beibehalten. Andernfalls würden sie die Wellenfunktion „kollabieren“, wodurch das künstliche Atom in den einen oder anderen Zustand versetzt würde. Dies ist das Problem, für das Schrödingers Katze berühmt ist, die angeblich in eine kohärente Quanten- „Überlagerung“von lebenden und toten Zuständen versetzt wird, aber bei Beobachtung nur zu dem einen oder anderen wird.
Um dieses Problem zu umgehen, wenden Devoret und Kollegen einen cleveren Trick an, der einen zweiten angeregten Zustand beinhaltet. Das System kann diesen zweiten Zustand vom Grundzustand aus erreichen, indem es ein Photon mit einer anderen Energie absorbiert. Die Forscher untersuchen das System auf eine Weise, die ihnen nur sagt, ob sich das System in diesem zweiten „hellen“Zustand befindet, der so genannt wird, weil er derjenige ist, der gesehen werden kann. Der Zustand, in den und von dem aus die Forscher tatsächlich nach Quantensprüngen suchen, ist inzwischen der „dunkle“Zustand - weil er der direkten Sicht verborgen bleibt.
Die Forscher platzierten den supraleitenden Schaltkreis in einem optischen Hohlraum (einer Kammer, in der Photonen der richtigen Wellenlänge herumprallen können), sodass sich im hellen Zustand des Systems die Art und Weise ändert, in der Licht im Hohlraum gestreut wird. Jedes Mal, wenn der helle Zustand durch Emission eines Photons abnimmt, gibt der Detektor ein Signal ab, das dem Klicken eines Geigerzählers ähnelt.
Der Schlüssel hier, sagte Oliver, ist, dass die Messung Informationen über den Zustand des Systems liefert, ohne diesen Zustand direkt abzufragen. Tatsächlich wird gefragt, ob sich das System gemeinsam im Boden- und Dunkelzustand befindet oder nicht. Diese Mehrdeutigkeit ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz während eines Sprungs zwischen diesen beiden Zuständen. In dieser Hinsicht, sagte Oliver, ist das Schema, das das Yale-Team verwendet hat, eng mit denen verwandt, die für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern verwendet werden. Auch dort ist es notwendig, Informationen über Quantenbits zu erhalten, ohne die Kohärenz zu zerstören, auf die sich die Quantenberechnung stützt. Dies geschieht wiederum dadurch, dass nicht das betreffende Quantenbit direkt betrachtet wird, sondern ein damit gekoppelter Hilfszustand geprüft wird.
Die Strategie zeigt, dass es bei der Quantenmessung nicht um die durch die Sonde verursachte physikalische Störung geht, sondern um das, was Sie wissen (und was Sie unbekannt lassen). "Das Fehlen eines Ereignisses kann so viele Informationen wie seine Anwesenheit bringen", sagte Devoret. Er vergleicht es mit der Geschichte von Sherlock Holmes, in der der Detektiv einen entscheidenden Hinweis auf den „merkwürdigen Vorfall“gibt, bei dem ein Hund in der Nacht nichts getan hat. Devoret entlehnt sich einer anderen (aber oft verwirrten) Geschichte über Holmes und nennt sie "Baskerville's Hound meets Schrödinger's Cat".
Einen Sprung fangen
Das Yale-Team sah eine Reihe von Klicks vom Detektor, die jeweils einen Abfall des hellen Zustands anzeigten und normalerweise alle paar Mikrosekunden eintrafen. Dieser Strom von Klicks wurde ungefähr alle paar hundert Mikrosekunden, anscheinend zufällig, durch eine Pause unterbrochen, in der es keine Klicks gab. Nach einem Zeitraum von typischerweise 100 Mikrosekunden wurden die Klicks wieder aufgenommen. Während dieser stillen Zeit hatte das System vermutlich einen Übergang in den dunklen Zustand durchlaufen, da dies das einzige ist, das ein Hin- und Herwechseln zwischen dem Boden- und dem hellen Zustand verhindern kann.
In diesen Schaltzuständen von "Klicken" zu "Nicht-Klicken" befinden sich also die einzelnen Quantensprünge - genau wie in den früheren Experimenten mit eingefangenen Atomen und dergleichen. In diesem Fall könnten Devoret und Kollegen jedoch etwas Neues sehen.
Vor jedem Sprung in den dunklen Zustand gab es normalerweise einen kurzen Zeitraum, in dem die Klicks unterbrochen zu sein schienen: eine Pause, die als Vorbote für den bevorstehenden Sprung fungierte. "Sobald die Länge einer Periode ohne Klicken die typische Zeit zwischen zwei Klicks deutlich überschreitet, haben Sie eine ziemlich gute Warnung, dass der Sprung im Begriff ist, aufzutreten", sagte Devoret.
Diese Warnung ermöglichte es den Forschern, den Sprung genauer zu untersuchen. Als sie diese kurze Pause sahen, schalteten sie die Eingabe von Photonen aus, die die Übergänge steuern. Überraschenderweise geschah der Übergang in den dunklen Zustand auch ohne Photonenantrieb - es ist, als ob das Schicksal zu dem Zeitpunkt, zu dem die kurze Pause einsetzt, bereits feststeht. Also, obwohl der Sprung selbst zu einem zufälligen Zeitpunkt erfolgt, liegt auch etwas Deterministisches in seiner Herangehensweise.
Mit abgeschalteten Photonen zoomten die Forscher den Sprung mit feiner Zeitauflösung heran, um zu sehen, wie er sich entfaltet. Passiert es augenblicklich - der plötzliche Quantensprung von Bohr und Heisenberg? Oder passiert es reibungslos, wie Schrödinger darauf bestand? Und wenn ja, wie?
Das Team stellte fest, dass die Sprünge tatsächlich allmählich sind. Das liegt daran, dass sich das System während eines Quantensprungs in einer Überlagerung oder Mischung dieser beiden Endzustände befindet, obwohl eine direkte Beobachtung das System nur als in dem einen oder anderen Zustand befindlich erkennen lässt. Mit fortschreitendem Sprung würde eine direkte Messung zunehmend eher den endgültigen als den ursprünglichen Zustand ergeben. Es ist ein bisschen so, wie sich unsere Entscheidungen im Laufe der Zeit entwickeln könnten. Sie können entweder nur auf einer Party bleiben oder sie verlassen - es ist eine binäre Entscheidung -, aber wenn der Abend abläuft und Sie müde werden, wird die Frage „Bleibst du oder gehst du?“Immer wahrscheinlicher die Antwort „Ich gehe."
Die vom Yale-Team entwickelten Techniken enthüllen die veränderte Denkweise eines Systems während eines Quantensprungs. Mithilfe einer Methode namens tomographische Rekonstruktion konnten die Forscher die relative Gewichtung der Dunkel- und Grundzustände in der Überlagerung ermitteln. Sie sahen, wie sich diese Gewichte über einen Zeitraum von wenigen Mikrosekunden allmählich änderten. Das ist ziemlich schnell, aber sicherlich nicht sofort.
Darüber hinaus ist dieses elektronische System so schnell, dass die Forscher den Wechsel zwischen den beiden Zuständen „fangen“und ihn dann umkehren können, indem sie einen Photonenpuls in den Hohlraum senden, um das System wieder in den dunklen Zustand zu versetzen. Sie können das System überreden, seine Meinung zu ändern und doch auf der Party zu bleiben.
Einsichtsblitz
Das Experiment zeigt, dass Quantensprünge "zwar nicht augenblicklich sind, wenn wir genau hinsehen", sagte Oliver, "sondern kohärente Prozesse": reale physikalische Ereignisse, die sich im Laufe der Zeit entfalten.
Die Allmählichkeit des „Sprungs“ist genau das, was eine Form der Quantentheorie vorhersagt, die als Quantentrajektorientheorie bezeichnet wird und die einzelne Ereignisse wie dieses beschreiben kann. "Es ist beruhigend, dass die Theorie perfekt mit dem übereinstimmt, was man sieht", sagte David DiVincenzo, ein Experte für Quanteninformation an der Aachener Universität in Deutschland.
Die Möglichkeit, Quantensprünge vorherzusagen, bevor sie auftreten, macht sie wie Vulkanausbrüche. Jeder Ausbruch geschieht unvorhersehbar, aber einige große können vorweggenommen werden, indem man auf die atypisch ruhige Phase achtet, die vor ihnen liegt. "Nach unserem Kenntnisstand wurde dieses vorläufige Signal [für einen Quantensprung] bisher nicht vorgeschlagen oder gemessen", sagte er.
Devoret sagte, dass die Fähigkeit, Vorläufer für Quantensprünge zu erkennen, möglicherweise in Quantensensor-Technologien Anwendung findet. Zum Beispiel „möchte man bei Atomuhrenmessungen die Uhr mit der Übergangsfrequenz eines Atoms synchronisieren, die als Referenz dient“, sagte er. Wenn Sie jedoch gleich zu Beginn erkennen können, ob der Übergang bevorsteht, anstatt auf den Abschluss warten zu müssen, kann die Synchronisierung auf lange Sicht schneller und damit präziser sein.
DiVincenzo ist der Ansicht, dass die Arbeit auch in der Fehlerkorrektur für das Quantencomputing Anwendung finden könnte, obwohl er dies als „ziemlich weit entfernt“ansieht. Um das für den Umgang mit solchen Fehlern erforderliche Maß an Kontrolle zu erreichen, ist diese Art von Vollständigkeit erforderlich Ernte von Messdaten - ähnlich wie die datenintensive Situation in der Teilchenphysik, sagte DiVincenzo.
