Quantenrennen: Gewinner und Verlierer zugleich

Die Gesetze der Quantenphysik erlauben Objekten an zwei Orten zugleich zu sein. Selbst die Abfolge von Ereignissen kann so einen Überlagerungszustand einnehmen, berichten Wiener Physiker. In einem Quantenrennen ist demnach jeder Gewinner und Verlierer zugleich.

In der klassischen Physik gilt das einfache Prinzip der zeitlich stringenten Abfolge von Ursache und Wirkung. So verstehen wir auch die Welt: Geht ein Fenster durch einen Stein zu Bruch, ist der Steinwurf die „Ursache“, die zerborstene Scheibe die „Wirkung“ - man spricht auch von „Kausalität“.

Vor einigen Jahren haben theoretische Physiker um Caslav Brukner vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) allerdings ein Gedankenexperiment veröffentlicht, wonach in der Quantenwelt die Abfolge von Ereignissen nicht immer klar definiert sein muss. Bei dem dabei erdachten „Causal Game“ könnte - genauso wie der Ort - auch die zeitliche Anordnung nicht voll definiert sein.

Zeitgleich über die Ziellinie

Philip Walther und seine Kollegen vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und dem IQOQI haben nun erstmals experimentell bewiesen, dass es diese Überlagerung bei der Abfolge von Ereignissen geben kann und haben dafür sogar einen unabhängigen „kausalen Zeugen“ entwickelt.

Illustration eines Quantenrennens
Jonas Schmöle, Fakultät für Physik der Universität Wien
Illustration zum Quantenrennen

Demnach gibt es nicht nur die beiden zeitlichen Abfolgen „erst A, dann B“ bzw. „erst B, dann A“, sondern auch eine Überlagerung davon, die Physiker sprechen auch von „Superposition“. Die Wissenschaftler vergleichen das in einer Aussendung mit einem Rennen, bei dem nicht A oder B gewinnt und demnach B bzw. A verlieren. Vielmehr geht A in einer Superposition zugleich vor und nach B über die Ziellinie.

„Kausaler Zeuge“

In ihrem Experiment lassen die Physiker ein Lichtteilchen zwei Quantenoperationen durchlaufen. Bei einer davon (A) wird die Polarisation, also die Schwingungsrichtung des Lichts, verändert (etwa von horizontal auf vertikal). Bei der anderen (B) wird die Polarisation sogar gemessen. Dies ist eine besondere Herausforderung, da eine Messung eine Superposition immer zerstört und das Teilchen auf eine der Möglichkeiten festlegt. „Möglich wird das, indem wir das Messergebnis nicht sofort auslesen, sondern erst ganz am Schluss“ sagte Walther zur APA.

Das Experiment ist so aufgebaut, dass das Lichtteilchen drei Möglichkeiten hat: Entweder es geht auf dem Weg, auf dem Operation A vor Operation B erfolgt, oder auf dem Weg mit umgekehrter Operationsreihenfolge, oder es geht beide Wege gleichzeitig, also in Überlagerung. „Aus der Kombination all dieser Einstellungen haben wir diesen ‚kausalen Zeugen‘ generiert, der sagt: Mit den vorliegenden Ergebnissen kann ich mathematisch beweisen, dass da drinnen tatsächlich eine Situation vorliegt, bei der gleichzeitig AB und BA existiert“, so Walther.

Beschleunigte Berechnung

Nicht nur aus grundsätzlichen Überlegungen über die vielfältigen Möglichkeiten in der seltsam anmutenden Quantenwelt ist das interessant. Walther verweist auch auf anwendungstechnische Aspekte: „Vielleicht kann man das in Zukunft in einen Quantencomputer einbauen, um diesen noch einmal schneller zu machen.“ Ein Quantencomputer nutzt ja schon die Möglichkeit der Überlagerung der beiden in klassischen Computern genutzten Zustände 0 und 1. Kann man zudem auch die Abfolge von Ereignissen überlagern, müsste nicht der zweite Rechenschritt dem ersten folgen, usw.. Solche überlagerten Rechenoperationen könnten die Berechnungen noch mehr beschleunigen.

Interessant ist dieses quantenphysikalische Phänomen auch, wenn man sich Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Erinnerung ruf: Dort ist die Zeit grundsätzlich ein kontinuierlicher Fluss. „Wenn nun die Quantenphysik ins Spiel kommt und sich kausale Abfolgen überlagern können, könnte das anders ausschauen“, sagte Walther, „vielleicht könnten hier neue Aspekte vom Wechselspiel zwischen Gravitation und Quantenphysik gezeigt werden.“

science.ORF.at/APA

Mehr zum Thema