Katzencontent durch Quantentricks

Quantenphysikern ist es gelungen, Objekte zu fotografieren, ohne jemals das Licht aufzufangen, das sie reflektieren

Als Erwin Schrödinger die nach ihm benannte Gleichung formulierte, heute die rechnerische Grundlage der Quantenphysik, war er selbst nicht sicher, was da eigentlich gerade entstand. Wie kann es sein, dass ein subjektives Element wie der Beobachter die Wirklichkeit definiert?

Hier vermutete Schrödinger ein fehlendes Element, eine versteckte Variable, die er mit einem berühmt gewordenen Gedankenexperiment aufzeigen wollte: Man stelle sich eine Katze in einer verschlossenen, nicht einsehbaren Kiste vor. Ebenfalls in der Kiste befindet sich eine Mord-Apparatur, die vom Zerfall eines radioaktiven Atoms gesteuert wird. Dieser Vorgang läuft komplett zufällig ab. Man kann zwar sagen, wie viele von 1.000 Atomen binnen einer Stunde zerfallen werden. Doch es ist unmöglich, die restliche Lebenszeit für ein einzelnes Atom zu bestimmen. In welchem Zustand befindet sich die Katze?

Aus Sicht der Quantentheorie lautet die Antwort: In einer Überlagerung aus den beiden Zuständen "tot" und "lebendig". Diese Superposition verschwindet, wenn ein Beobachter die Kiste öffnet. Die Schrödinger-Katze verhält sich dann wieder wie ein normales Tier und faucht entweder ob seiner Befreiung oder sagt gar nichts mehr. Was das für unser Verständnis von der Wirklichkeit bedeutet, darüber waren sich die Quantenphysiker lange uneins.

Die Kopenhagener Deutung etwa, 1927 von Niels Bohr und Werner Heisenberg in Kopenhagen formuliert, geht davon aus, dass die Wellenfunktion genau zum Zeitpunkt der Messung kollabiert - sie nimmt einen der möglichen Messwerte an. Die Katze wird also nicht durch das vom Kernzerfall aktivierte Giftgas getötet, sondern durch den Menschen, der die Kiste öffnet.

Wiener Quantenphysiker beim Fotografieren

Eine etwas leichter verdauliche Erklärung liefert die so genannte Dekohärenztheorie, der heute die meisten Physiker zustimmen. Sie geht davon aus, dass jedes Quantensystem mit der Zeit durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung verändert wird, bis es keine Quanteneigenschaften mehr hat (diesen Vorgang nennt man Dekohärenz). Der Beobachter verliert hier die überragende Rolle, die er in der Kopenhagener Deutung hatte. Man kann sogar berechnen, wie schnell die Dekohärenz eintritt. Nämlich für typische Objekte der Alltagswelt ungeheuer flink: Eine Bowlingkugel hat zum Beispiel bei Normalbedingungen schon nach nur 10^-26 Sekunden keine Quanteneigenschaften mehr.

Die Schrödinger-Katze ist damit unter Physikern so legendär, dass sie ab und an auch dann noch herhalten muss, wenn sie eigentlich keine Rolle spielt. Nichtsdestotrotz ist die neueste Veröffentlichung der Wiener Quantenphysiker um Anton Zeilinger in Nature auf ihre eigene Art spannend: Den Forschern ist nämlich gelungen, ein Objekt zu fotografieren, ohne jemals die damit interagierenden Photonen aufzufangen.

Normalerweise funktionieren unser Sehsinn und der Fotoapparat nur, wenn sie Lichtteilchen auffangen, die von einem Gegenstand reflektiert werden. Ein Ding, das nicht reflektiert, ist nur noch dadurch sichtbar, dass es als absolut schwarzer Fleck ein Stück Hintergrund verdeckt. Auf einem ebenso schwarzen Hintergrund verschwindet das Objekt.

Verschränkte Photonen

Die Forscher setzten nun einen Trick ein. Sie erzeugen zwei Sets von Photonen, die jeweils miteinander verschränkt sind. Mit Set 1 bestrahlen sie den zu fotografierenden Gegenstand. Was mit den Photonen danach passiert, erfahren sie nie. Allerdings gibt es ja noch die damit verschränkten Photonen. Mit einer Spezialkamera fangen die Forscher diese Lichtteilchen auf (die das Objekt nie "gesehen" haben) - und es entsteht ein Abbild des Motivs.

Das Experiment der Forscher hat auch eine praktische Seite: Mit ihrer Technik ist es nämlich möglich, Bilder von Objekten anzufertigen, die für bestimmte Wellenlängen unsichtbar oder undurchdringlich sind. Man bescheint das Objekt einfach mit passenderen Photonen und nutzt zur Herstellung des Fotos dann verschränkte Photonen der unpassenden Wellenlängen.

So ließe sich etwa ein sichtbares Bild eines im sichtbaren Spektrum unsichtbaren Objekts schießen. Es müsste allerdings theoretisch auch möglich sein, auf diese Weise Motiv und Fotoapparat räumlich voneinander zu trennen. Solange man nur auf ein Reservoir miteinander verschränkter Photonen zurückgreift, könnte die Kamera auch auf dem Mond stehen, während sich das Motiv auf der Erde befindet.