Quantenüberlagerung (Quantum Superposition)
Was ist Quantenüberlagerung (Quantum Superposition)?
Quantenüberlagerung ist die Fähigkeit eines Quantensystems, sich so zu verhalten, als befände es sich gleichzeitig in mehreren Zuständen, bis es gemessen wird.
Die Superposition ist eine Eigenschaft aller Wellenfunktionen. In der Quantenmechanik werden die Zustände von Teilchen durch Wahrscheinlichkeitswellen dargestellt. Wenn Quantenteilchen gemäß Wahrscheinlichkeitswellen agieren, befinden sie sich in einem Zustand der Quantenüberlagerung.
Die Superposition kann auf jeden Zustand angewendet werden, in dem sich ein Quantensystem befinden könnte. Dies umfasst den Ort, den Elektronenspin oder das Energieniveau.
Quantenüberlagerung und das Doppelspaltexperiment
Die Quantenüberlagerung kann durch das Doppelspaltexperiment veranschaulicht werden. Es wurde erstmals eingesetzt, um zu beweisen, dass Licht aus Wellen besteht. Heute wird das Experiment genutzt, um zu verstehen, wie Elektronen wie Wellen agieren und Quanteninterferenzmuster erzeugen können.
Für dieses Experiment wird ein kohärenter Lichtstrahl, zum Beispiel ein Laserstrahl, auf eine Barriere mit zwei vertikalen Schlitzen gerichtet. Das Licht tritt durch die Schlitze und das resultierende Muster wird auf einer Fotoplatte aufgezeichnet. Wenn ein Schlitz abgedeckt wird, ist das Muster wie erwartet: eine einzelne Lichtlinie, die mit dem offenen Schlitz ausgerichtet ist.
Intuitiv würde man erwarten, dass bei beiden offenen Schlitzen das Lichtmuster zwei mit den Schlitzen ausgerichtete Lichtlinien reflektiert. Tatsächlich trennt sich die fotografische Platte in mehrere Linien von Helligkeit und Dunkelheit in unterschiedlichen Abstufungen.
Dies zeigt, dass das Licht als Wellen fungiert und die beiden Wellen sich gegenseitig beeinflussen, indem sie sich an einigen Stellen addieren, um heller zu werden, und an anderen Stellen auslöschen, um dunkler zu werden. Das gleiche Muster zeigt sich, wenn Photonen oder Elektronen verwendet werden.
Überraschend wird es, wenn das Experiment wiederholt wird, sodass nur einzelne Photonen oder Elektronen durch die beiden Schlitze geschickt werden, eines nach dem anderen. Es zeigt sich dasselbe Interferenzmuster, obwohl nur ein Teilchen vorhanden ist. Es ist fast so, als würde das eine Teilchen gleichzeitig durch beide Schlitze gehen und mit sich selbst interferieren. Dazu muss es sich in einem Überlagerungszustand befinden.
Interessanterweise bricht die Wahrscheinlichkeitswelle zusammen und das Interferenzmuster verschwindet, wenn ein Detektor hinzugefügt wird, um zu bestimmen, durch welchen Spalt das Teilchen geht. Der Verlust der Superposition wird als Quantendekohärenz bezeichnet.
Superposition und Schrödingers Katze
Das Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze wurde erstmals verwendet, um auf die scheinbare Absurdität der Superposition hinzuweisen. Heute wird es jedoch als weitere Möglichkeit zur Veranschaulichung des Phänomens eingesetzt.
In dem Gedankenexperiment wird eine Katze in eine versiegelte Kiste mit einem Fläschchen Gift gesetzt, das die Katze tötet, wenn ein zufälliges Ereignis eintritt, wie zum Beispiel der Zerfall eines radioaktiven Atoms. Von außerhalb der versiegelten Kiste ist nicht erkennbar, ob die Katze lebt oder tot ist, sodass sich die Katze in einem Zustand der Superposition befindet und gleichzeitig lebendig und tot ist. Erst wenn die Kiste geöffnet wird, kann der Zustand der Katze erkannt werden.
Forscher haben nachgewiesen, dass große Moleküle, die aus Tausenden von Atomen bestehen, Überlagerungszustände aufweisen. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass sogar makroskopische Systeme Quantenverhalten aufweisen.
Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die Quantenmechanik, wie sie heute verwendet wird, in erster Linie ein mathematisches Modell ist und keine Aussagen darüber macht, was vor sich geht. Stattdessen werden auf Wahrscheinlichkeiten basierende Vorhersagen getroffen, die sich als wahr erwiesen haben.
Einfache Aussagen wie Das Elektron ist durch beide Schlitze geflogen oder Die Katze ist gleichzeitig lebendig und tot sind technisch gesehen nicht korrekt. Es ist genauer zu sagen, dass das Elektron während seiner Reise keine Position hat oder die Katze für den externen Beobachter weder lebendig noch tot ist.
Superposition im Quantencomputing
In der Informatik hat das Konzept der Superposition wichtige Auswirkungen auf die Art und Weise, wie Informationen in Zukunft verarbeitet und gespeichert werden können. Beispielsweise verarbeiten heutige klassische Computer Informationen in Bits von 1 oder 0, ähnlich wie ein Lichtschalter, der ein- oder ausgeschaltet wird. Quantencomputer hingegen verarbeiten Informationen als Qubits – 1, 0 oder eine Überlagerung der beiden Zustände.
Quantencomputer können theoretisch jede Operation ausführen, die auch ein klassischer Computer ausführen kann. Zusätzlich zu den klassischen Operationen können die Qubits jedoch Quantenzustände wie Interferenz, Verschränkung und Überlagerung nutzen, um Dinge zu tun, die klassische Computer nicht können. Beispielsweise kann ein Hadamard-Gatter ein Qubit in einen Überlagerungszustand versetzen, sodass sein Zustand erst nach Abschluss der Berechnung bestimmt wird.
