Quantenschüsse auf die Torwand

Forscher schicken Fullerene in den Grenzbereich zwischen Quantenwelt und klassischer Welt

Nanotechnologie, Quantencomputer, Quantenkryptographie: um auf diesen Gebieten Fortschritte zu machen, muss man herausfinden, wie Quantensysteme mit ihrer Umgebung wechselwirken und wie man Dekohärenz verhindern kann.

In der Quantenwelt ist 1 plus 1 nicht immer gleich 2. Schicke ich einen Teilchenstrahl durch ein passend gewähltes Gitter, kann ich dahinter ein Interferenzmuster beobachten, also abwechselnd Auslöschung und Verstärkung - allerdings erfahre ich nichts darüber, an welcher Stelle die Teilchen durch das Gitter treten. In der klassischen Welt ist es genau anders herum: jedes Teilchen hat seine Flugbahn und bewegt sich durch einen bestimmten Spalt des Gitters, dafür verschwindet die Interferenz. Die beiden Beobachtungen, Interferenzmuster oder Flugbahn, sind komplementär, beides kann niemals gleichzeitig gemessen werden.

Die Interferenzerscheinung ist eine allgemeine, wesentliche Eigenschaft von Quantensystemen. Sie beruht darauf, dass sich die verschiedenen quantenmechanischen Zustände des Systems kohärent überlagern (Superposition). Wenn das System aber mit der Umgebung wechsel wirkt, so dass Information über seinen Zustand gewonnen werden kann, wird die Kohärenz zerstört, es verhält sich wieder "klassisch"; man spricht dann von Dekohärenz.

Für das Funktionieren eines Quantencomputers ist die Dekohärenz das größte Hindernis, denn sie zerstört die Superposition der Lösungszustände. In der Quantenkryptographie (vgl. Alice und die grinsende Schrödingerkatze) ist sie entscheidend für den Schutz der übermittelten Botschaft: Ein Abhörversuch zerstört die Verschränkung zwischen Sender und Empfänger und muss (im Prinzip) immer bemerkt werden.

Am Institut für Experimentalphysik der Universität Wien (Arbeitsbereich Quantenexperimente und die Grundlagen der Physik, Prof. A. Zeilinger) wurde jetzt der Übergang von quantenmechanischem zu klassischem Verhalten bei C70 -Fullerenen untersucht, hohlkugelförmigen Molekülen aus reinem Kohlenstoff (Nature, Vol. 427, 19 Feb 2004, pp. 711-714).

Dazu wurde ein Fulleren-Teilchenstrahl durch ein Materiewellen-Interferometer (Talbot-Lau-Interferometer) geschickt. Die Moleküle im Strahl passieren dabei der Reihe nach drei identische Gitter aus Golddraht. Das erste teilt den Strahl auf (jeder Gitterspalt funktioniert als Quelle eines Teilstrahls), das zweite beugt die Teilstrahlen und ermöglicht ihre Interferenz, das dritte, verschiebbare, dient zum Nachweis des Interferenzmusters. Vor dem Eintritt in das Interferometer können die Fulleren-Moleküle aufgeheizt werden. Sie durchqueren das Licht eines Argon-Lasers und absorbieren es. Die aufgenommene Energie wird als Wärmestrahlung wieder abgegeben.

Ist die Temperatur niedrig, dann verhalten sich die Moleküle wie Wellen: Sie treten nicht durch einen bestimmten Spalt des Gitters, sondern sind delokalisiert, und das Interferenzmuster tritt auf. Ist die Molekültemperatur hoch, dann ist die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung klein genug, um Information über die Flugbahn des Moleküls zu liefern, insbesondere darüber, durch welchen Gitterspalt es hindurchgetreten ist (which-path information). Im gleichen Maße verschwindet die Kohärenz. Durch kontinuierliches Variieren der anfänglichen Aufheizung konnte das Interferenzmuster ganz allmählich geschwächt und zum Verschwinden gebracht werden (wenn ich von einem Fußball weiß, durch welches Loch der Torwand er fliegt, dann verhält er sich klassisch).

Wärmestrahlung ist also eine Quelle von Dekohärenz. Im Gegensatz zu anderen Wechselwirkungen mit der Umgebung ist sie unvermeidbar. Im Ergebnis stellt sich aber heraus, dass sie für die Fullerene erst bei sehr hoher Molekültemperatur relevant wird. Die Forscher bekräftigen, dass auch für Materiewellen aus wesentlich größeren Molekülen, z. B. Proteine, deren Wärmestrahlung die Kohärenz nicht wesentlich einschränken wird. In welchen Grenzen sich große Moleküle wie Quantensysteme verhalten, haben die Wiener Forscher damit als erste quantitativ bestimmt.