Quantensprünge sind real – und jetzt können wir sie kontrollieren

Von Leah Crane

Seit über einem Jahrhundert diskutieren Physiker über die wahre Natur eines Quantensprungs. Es gibt jetzt eine Antwort, und in wahrer Quantenform hatten alle ein bisschen Recht.

Der Begriff „Quantensprung“ hat in den letzten Jahrzehnten ein wenig gebremst – für viele Menschen wird er an ein Klisché für massive Veränderungen oder an die Science-Fiction-Fernsehsendung mit Scott Bakula erinnern. Es beschreibt tatsächlich einen der Kernprinzipien der Quantenphysik: Dass Atome diskrete Energieniveaus haben und Elektronen innerhalb eines Atoms von einem Energieniveau zum nächsten springen können, aber nicht zwischen diesen spezifischen Ebenen beobachtet werden können.

Titanen der Physik, darunter Niels Bohr, der die Idee 1913 einführte, Erwin Schrödinger und Albert Einstein, stritten sich über die Besonderheiten dieser Sprünge – auch bekannt als Quantensprünge – insbesondere darüber, ob sie augenblicklich waren und ob ihr Timing zufällig war.

Nun haben Zlatko Minev von der Yale University und seine Kollegen die Debatte beigelegt. „Wenn wir auf eine sehr feine Skala zoomen, ist der Sprung weder augenblicklich noch so zufällig, wie wir dachten“, sagt Minev.

Die Forscher erreichten dies, indem sie eine supraleitende elektrische Schaltung mit Quantenverhalten bauten, die es zu einem Analogon zum Atom mit drei Energieniveaus macht: dem Grundzustand, der der Standardzustand des Atoms ist, einem „hellen“ Zustand, der mit dem Grundzustand verbunden ist, und einem „dunklen“ Zustand, in den das Atom springen kann.

Sie feuerten einen Mikrowellenstrahl auf das künstliche Atom, um Energie in das System zu injizieren. Im Allgemeinen hüpfte das Atom schnell zwischen dem Grundzustand und dem hellen Zustand und emittierte jedes Mal ein Photon, wenn es von hell zu Boden sprang. Aber wenn das Atom ein energiereicheres Photon aus dem Strahl absorbiert, würde es in den dunklen Zustand springen. Der dunkle Zustand war stabiler als der helle Zustand, so dass das Atom länger dort bleiben würde, ohne Photonen zu emittieren.

Anhand dieser Signale konnten die Forscher feststellen, wann ein Quantensprung begonnen hatte, indem sie nach einem Lichtblitz aus dem hellen Zustand suchten, gefolgt von einer Flaute, als das Atom in den dunklen Zustand sprang. Minev vergleicht es mit der Vorhersage eines Vulkanausbruchs. „Es ist ein zufälliges Phänomen, niemand kann vorhersagen, wann der nächste Vulkanausbruch auftreten wird, aber bevor der nächste Ausbruch auftritt, gibt es bestimmte Signale im Boden, die wir erkennen und als Warnung verwenden können“, sagt er.

Die Lichtstille des Atoms entspricht diesen seismischen Warnsignalen. Auf längeren Zeitskalen ist es unmöglich vorherzusagen, wann der nächste Sprung stattfinden wird, wie Bohr dachte – aber auf kürzeren Zeitskalen von nur wenigen Mikrosekunden sind sie es.

„Die Tatsache, dass ein solcher Quantensprung in einem supraleitenden Schaltkreis und nicht in einem Atom beobachtet wurde, weist darauf hin, dass wir diesen supraleitenden Schaltkreis auf eine Weise steuern können, wie wir natürliche Atome nicht kontrollieren können“, sagt William Oliver vom Massachusetts Institute of Technology. Wir sollten eines Tages in der Lage sein, dasselbe mit echten Atomen zu tun, sagt er.

Diese Kontrolle es dem Team ermöglichte, etwas zu tun, das Bohr und seine Zeitgenossen für unmöglich gehalten hätten – einen Quantensprung zu kontrollieren.

Wenn die Forscher kurz nach dem Start des Sprungs mit einem elektrischen Impuls auf das Atom trafen, konnten sie es abfangen und in den Grundzustand zurückschicken – etwas, das nicht möglich gewesen wäre, wenn Quantensprünge wirklich augenblicklich und zufällig wären. Stattdessen stellten sie fest, dass die Sprünge jedes Mal den gleichen Weg zwischen den beiden Energieniveaus einschlugen, so dass es leicht vorherzusagen war, wie sie zurückprallen sollten.

Dies zeigt, dass Quantensprünge, wie Schrödinger betonte, nicht augenblicklich sind – sie dauern tatsächlich etwa vier Mikrosekunden. „In gewissem Sinne sind die Sprünge keine Sprünge“, sagt Minev. „Wenn Sie sich diese feineren Funktionen ansehen, können Sie Dinge tun, von denen Sie vielleicht dachten, dass Sie sie aufgrund dieser kleinen Fenster der Vorhersagbarkeit nicht tun könnten.“

Dies könnte schließlich nützlich sein, um Fehler im Quantencomputer zu korrigieren“, sagt Minev. Ein unerwarteter Quantensprung könnte einen Fehler in Berechnungen markieren, und diese Methode könnte es Forschern ermöglichen, den Beginn des Sprungs zu erkennen und den Fehler zu erklären oder ihn sogar mitten im Sprung umzukehren. „Dies ist ein sehr wichtiges wissenschaftliches Ergebnis, und seine Relevanz für Quantencomputer der Zukunft wird davon abhängen, wie Quantencomputer der Zukunft aussehen“, sagt Oliver.