Anwendung der Quantenmechanik auf komplexe Systeme
Die Quantenmechanik beschreibt die schier unvorstellbaren Eigenschaften der Natur auf mikroskopischer Ebene. Die Wissenschaft hat z. B. gezeigt, dass ein Teilchen in dieser Welt in einem Zustand der Superposition sein kann, also gleichzeitig zwei Zuständen entspricht. „Dies bedeutet, dass ein Teilchen – beispielsweise ein Elektron – gleichzeitig sowohl hier als auch dort existieren kann“, erklärt der Koordinator des Projekts TEQ Angelo Bassi von der Universität Triest in Italien. „Genauer gesagt geschieht dies mit der Wellenfunktion, die das Teilchen beschreibt. So wie die Wellen im Ozean trennen sich diese mathematischen Wellen, und wenn sie sich erneut verbinden, treten wechselseitige Interferenzen auf. Aus diesen Interferenzen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schlussfolgern, dass sie an einem bestimmten Punkt getrennt waren und dann wieder vereint wurden.“
Fragen der Quantentheorie
In der Wissenschaft herrscht die Zuversicht, dass Elementarteilchen, Atome und sogar komplexere Moleküle in diesem Quantenzustand existieren können. Doch was geschieht, wenn wir den mikroskopischen Maßstab auf noch größere, komplexere Systeme anwenden? Könnten der Mensch in einem Quantenzustand existieren? Und falls nicht, aus welchem Grund? „Die Quantentheorie legt nahe, dass dies möglich ist“, merkt Bassi an. „Eine zentrale Frage lautet daher, ob es einen bestimmten Punkt gibt, an dem die Quantenmechanik scheitert.“ Dies knüpft an das berühmte Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze an, bei dem eine hypothetische, nicht sichtbare Katze infolge einer Handlung, die stattgefunden oder nicht stattgefunden haben könnte, gleichzeitig für lebendig und tot erachtet werden kann.
Kollaps der Wellenfunktion
Der Beitrag des TEQ-Projekts zur Beantwortung dieser Frage lag darin begründet, über den aktuellen Stand der Quantenexperimente hinauszugehen. In der Quantenphysik wurde tendenziell untersucht, ob ein einzelnes Teilchen die eingangs erwähnten Welleninterferenzen zeigt. Falls es eine Interferenz gibt, können die Forschenden daraus ableiten, dass das Teilchen in einem Zustand der Superposition gewesen ist. „Die Herausforderung besteht darin, dies mit immer komplexeren Systemen zu erreichen“, bemerkt Bassi. „Es ist technisch überaus schwierig, eine Superposition herbeizuführen und zu steuern, indem alle Interferenzen in der Umgebung isoliert werden.“ Um diese Herausforderung anzugehen, wandte das TEQ-Projekt eine neue Strategie an. Es wurden Modelle für einen sogenannten spontanen Kollaps der Wellenfunktion verwendet, um den Zusammenbruch der Quantenmechanik zu prognostizieren. Dies setzt die Annahme voraus, dass beim Kollaps der Superposition ein bestimmtes „Geräusch“ entsteht. „Anstatt die Superposition zu betrachten, entwickelten wir ein neues Experiment zur Detektion dieses ,Geräuschs‘“, sagt Bassi. Hierzu schloss das Projektteam abgekühlte Nanokristalle ein und manipulierte diese dergestalt, dass noch so kleine Bewegungen detektiert werden. Falls eine Bewegung detektiert würde, wüssten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, dass ein „Geräusch“ erzeugt wird.
Messung der Quantengravitation
Der Schlüsselerfolg des TEQ-Projekts war der Nachweis, dass ein solches Experiment durchführbar ist. Dies hat die Tür zu spannenden neuen Möglichkeiten für Quantenexperimente geöffnet. „In Zukunft werden wir dieses Geräusch weiterhin messen und die Empfindlichkeit des Experiments optimieren“, kommentiert er. „Somit können wir Geräusche von immer schwächeren Signalen analysieren.“ Die Idee besteht darin, dass mit größeren, komplexeren Systemen experimentiert werden kann, um so die Kluft zur makroskopischen Welt zu schließen. Das TEQ-Projektteam konnte die feine Empfindlichkeit seiner quantengestützten Innovation demonstrieren. Dies könnte zu interessanten neuen Experimenten zur Messung neuer Gravitationsphänomene führen. „Wir wissen sehr wenig über das Gravitationsverhalten im echten Quantenzustand“, sagt Bassi. „Die Gravitation ist tatsächlich eine sehr schwache Kraft, und man benötigt einen extrem guten Sensor, um sie zu messen. Wir sind sehr daran interessiert, diesen Sensor zur Beantwortung von Fragen in Bezug auf die Gravitation anzuwenden.“
Schlüsselbegriffe
TEQ, Quantenmechanik, mikroskopisch, Gravitation, Elektron, Atom, Superposition
