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Schrödingers Bärtierchen

Polares Eis, der Mond, die Quantenwelt – was haben diese Orte gemeinsam? Es gibt kein W-Lan? Möglich. Es ist ungemütlich? Vermutlich. Sie sind unbewohnt? Keineswegs! All diese Orte hat ein bestimmtes Lebewesen (angeblich) schon gesehen. Mal freiwillig, mal fremdbestimmt, mal absichtlich, mal aus Versehen. Was ist das für ein Wesen, das sich an derart exotistischen, lebensfeindlichen Orten herumtreibt? Es ist klein, pummelig und hat den knuffigen Namen: Bärtierchen! 2014 wurden in der Arktis Bärtierchen gefunden, die seit über 30 Jahren „Winterschlaf“ hielten. Seit einer Bruchlandung einer israelischen Raumsonde 2019 liegen ein paar Bärtierchen auf dem Mond. Und laut einer Gruppe von Forscher:innen haben Bärtierchen nun auch den Sprung in die Quantenwelt geschafft! Aber stimmt das überhaupt?

Es begann kurz vor Weihnachten, als ein internationales Forscherteam behauptete, sie hätten ein Bärtierchen mit einem Qubit verschränkt. Der Preprint (also ein vorab veröffentlichter und frei zugänglicher Artikel, der noch nicht von Fachkolleg:innen auf Richtigkeit geprüft wurde) trägt den scheinbar eindeutigen Titel „Verschränkung zwischen einem supraleitenden Qubit und einem Bärtierchen“. Verschränkung, das klingt doch nach Schrödingers Katze (siehe Infobox). Ist das Bärtierchen etwa das erste, untote Lebewesen? Das erste Tierchen, das weiß, wie sich Schrödingers Katze fühlt?

Schrödingers Katze

Schrödinger stellte sein berühmtes Gedankenexperiment 1935 vor, um seine Zweifel an der Interpretation der Quantenphysik zu äußern. Er stellte sich folgendes vor: Man setze eine Katze zusammen mit einem Fläschchen Gift und einem radioaktiven Atom in eine Schachtel. Sobald das Atom zerfällt, löst es einen Mechanismus aus, der die Flasche zerschlägt, das Gift freisetzt und die Katze tötet (ja, Schrödinger war anscheinend kein Katzenfreund).

Schrödingers Katze

Der radioaktive Zerfall des Atoms ist nun aber ein quantenmechanischer Prozess. Das heißt: ich kann mit keinem Mittel der Welt vorhersagen, wann das Atom genau zerfallen wird. Ich kann lediglich vorhersagen, mit welcher Wahrscheinlichkeit es in einer gewissen Zeitspanne zerfallen wird.

Nehmen wir an, ich habe lang genug gewartet, dass die Wahrscheinlichkeit für den Zerfall 50% beträgt. Das besondere an Quantensystemen ist: solang ich den Zerfall nicht messe, ich das Atom also in Ruhe lasse, befindet es sich in einer Überlagerung der beiden Optionen „zerfallen“ und „nicht zerfallen“, je mit einem Gewicht von 50%. Das nennen wir Superposition. Salopp gesagt heißt das: das Atom ist gleichzeitig „zerfallen“ und „nicht zerfallen“.

Was aber heißt das für die Katze? Die Gesundheit der Katze hängt unmittelbar vom Zustand des Atoms ab – wir sagen dazu: die Katze und das Atom sind verschränkt. Wenn wir wissen, was das Atom macht, wissen wir auch, wie es der Katze geht. Wenn das Atom gleichzeitig „zerfallen“ und „nicht zerfallen“ ist, ist die Katze dann tot und lebendig gleichzeitig?

Absurd, meinte Schrödinger. Noch nie hat jemand eine halb-tote-halb-lebendige Katze gesehen. Irgendetwas kann nicht stimmen, wenn eine Theorie Zombiekatzen vorhersagt. Und tatsächlich hat Schrödinger damit Generationen von Forscher:innen animiert, die Grenze zwischen unserer „großen“ und der Quantenwelt zu erforschen.

Zu gut um wahr zu sein

Für mich als Quantenphysikerin klang dieser Titel zu gut, um wahr zu sein. Wenn es stimmt, was die Autor:innen hier andeuten, wäre das unfassbar, Nobelpreiswürdig, ein Quantensprung (haha). Schrödingers Katze, endlich wahr! Doch noch bevor ich die Gelegenheit hatte den Artikel zu lesen, ging das Paper viral und social media hat gemacht, was social media am besten kann: meckern. Es wurde kein gutes Haar an dem Paper gelassen. Ich habe mir den Artikel also vorgenommen und lasst mich vorab sagen: Ich hab mich beim Lesen eines Papers selten so amüsiert.

Die Akteure

Tierfreundliche Physiker

Ich habe mir die Autorenliste einmal genauer angeschaut und etwas interessantes festgestellt. Drei der Autoren, Kai Sheng Lee, Rainer Dumke und Tomasz Paterek, haben einen weiteren, gemeinsamen Preprint mit dem Titel „Numerische Tests von Magnetorezeptionsmodellen mit Hilfe von Verhaltensexperimenten an amerikanischen Kakerlaken (aus dem Englischen übersetzt). Tomasz Paterek hat ein Paper namens „Quantenkohärenz und Empfindlichkeit der Magnetorezeption von Vögeln. Aber es kommt noch besser: Dumke und Paterek haben 2019 zusammen mit drei anderen Forscher:innen den satirischen Ig-Nobelpreis (eine absurde Hommage an den Nobelpreis, der für Forschung vergeben wird, die „Menschen zuerst zum Lachen, dann zum Nachdenken bringt“) für Biologie gewonnen! Für ihre Arbeit „In-vivo biomagnetische Charakterisierung der amerikanischen Kakerlake. Oder in anderen Worten: sie haben herausgefunden, dass tote Kakerlaken ein anderes magnetisches Verhalten haben als lebende. Na gut, dass diese Frage endlich geklärt ist!

Aber… warum? Sind die Forscher einfach sehr große Tierfreunde? Oder… vielleicht nicht, schließlich haben sie Kakerlaken getötet? Ich habe also einen der Autoren gefragt und er sagte: weil „lebende Systeme uns schon immer fasziniert haben“ (lebende Systeme, gesprochen wie ein wahrer Physiker). Witzig ist, was passiert, wenn Physiker:innen versuchen so komplexe „Systeme“ zu beschreiben, aber dazu kommen wir gleich.

Taffe Tierchen

Bärtierchen

Vögel, Kakerlake – und nun also Bärtierchen? Was ist das überhaupt? Die tapsigen Tierchen sind mehrzellige Lebewesen und nur wenige hundert Mikrometer groß, also etwa zehnmal kleiner als Ameisen. Unter dem Mikroskop sehen sie in etwa aus wie dicke, zerknautschte Schweinchen mit acht Stummelbeinen. Sie leben in Moosen und Gewässern, und die Bärtierchen aus dem Experiment wurden aus einer dänischen Regenrinne gekratzt. Und zwar nicht aus irgendeiner: die Autor:innen haben die exakten Koordinaten besagter Regenrinne im Paper festgehalten. Wenn ich aber auf Google Maps nachschaue steht an dieser Stelle gar kein Haus, sondern ein Wald. Sehr suspekt! Auf der anderen Seite des Waldes steht aber ein Haus – ich nehme also mal gutmütig an, dass sie das meinten.

Dänische Regenrinne, aus der das Bärtierchen gesammelt wurde. (Quelle Bärtierchen-Bild: https://arxiv.org/abs/2112.07978)

Bärtierchen sind so etwas wie die Stehaufmännchen der Tierwelt: unkaputtbar. Wenn sie in einer gefährlichen Situation sind – sei es extreme Kälte, Radioaktivität oder Trockenheit – stellen sie sich buchstäblich tot. In diesem Zustand namens „Kryptobiose“ fährt das Tierchen seinen Stoffwechsel und Sauerstoffverbrauch extrem runter. Und genau diese Eigenschaft benötigen die Physiker:innen, um ihr Experiment durchzuführen.

Kalte Qubits

Für ihr Experiment benutzte das Forscherteam keine Kiste oder Giftflasche. Stattdessen verschränkten sie das Bärtierchen mit einem Qubit (es ist schließlich 2022 – Qubits sind In, Radioaktivität ist Out). Genauer gesagt verwendeten sie ein supraleitendes Qubit, wie zum Beispiel Google und IBM sie in ihren Quantencomputern verwenden.

Ein supraleitendes Qubit ist ein winzig kleiner Schaltkreis, der sich bei tiefen Temperaturen wie ein künstliches Atom verhält. Teil dieses Schaltkreises ist ein Kondensator. Dieser besteht im einfachsten Fall aus zwei gegenüberliegenden, elektrisch leitenden Platten, die Ladung speichern können (im Schaltplan unten durch die parallelen Striche gekennzeichnet; und ja, die Bilder inklusive braunem Blob stammen tatsächlich so aus dem Preprint). Kondensatoren finden sich in fast allen elektrischen Bauteilen und eben auch in supraleitenden Qubits.

Der entscheidende Punkt, warum supraleitende Qubits und Bärtierchen zusammengefunden haben, ist das kleine Detail, dass sich die Schaltkreise nur bei sehr tiefen Temperaturen quantenmechanisch verhalten. Kein Problem für die Tierchen, die dreißig Jahre im arktischen Eis überlebt haben! Tatsächlich sind fast immer sehr tiefe Temperaturen notwendig, um Quanteneffekt zu beobachten, denn schon Wärme reicht aus, um die sensiblen Quanteneffekte kaputt zu machen. Um „Schrödingers Katze“ Realität werden zu lassen, müssen wir sie also in einen (sehr guten) Kühlschrank stecken!

Das Experiment

Untote Bärtierchen?

Kommen wir endlich zum Eingemachten: der Verschränkung zwischen Bärtierchen und Qubit. Was haben die Forscher:innen genau gemacht? Ich muss euch direkt enttäuschen: es war weit weniger dramatisch, als ihr vielleicht denkt. Schrödingers Katze ist tot und lebendig gleichzeitig – sie ist in einer makroskopischen Superposition, das heißt in einer Überlagerung zweier „sichtbarer“ Zustände. Das Bärtierchen… nun ja, ihr werdet es sehen.

Um das Bärtierchen mit dem Qubit zu verschränken, haben die Forscher:innen es innerhalb des Kondensators platziert (wie im Bild oben gezeigt). War das Absicht oder haben die Bacheloranden vielleicht einfach das Fenster offengelassen und ein Bärtierchen ist ins Experiment gekrabbelt? Wir werden es wohl nie erfahren.

Aufgrund des Bärtierchens im Inneren ändert sich die Eigenschaft des Kondensators, genauer gesagt seine Kapazität. Die Kapazität gibt an, wie viel Ladung man bei einer bestimmten Spannung auf den Platten speichern kann. Füllt man den Raum zwischen den Platten mit einem Material – wie Keramik, Kunststoff oder eben ein Bärtierchen – erhöht sich seine Kapazität. Wie stark wird von der sogenannten relativen Permittivität bestimmt. Luft hat eine relative Permittivität von 1 (es tut also nichts), PET hat 3,3, Keramik irgendwas zwischen 20 und 14000 und Bärtierchen (wie die Forscher:innen herausgefunden haben) 4. In etwa so viel wie trockene Erde. Merkt euch das fürs nächste Pub-Quiz.

Warum erzähl ich euch das? Weil das die Verschränkung ist! Klingt wenig beeindruckend? Da stimme ich euch zu. Man könnte es so sagen: Wenn ich meinen Finger in den Kondensator stecken könnte, hätte das etwa den gleichen Effekt. Ist mein Finger deshalb mit dem Qubit verschränkt? Wohl eher nicht. Eine Forscherin hat es so ausgedrückt: Das Qubit ist lediglich groß genug, damit sich ein Bärtierchen darin ausruhen kann.

Entspanntes Bärtierchen im Kondensator
Bärtierchen, das sich zwischen den Kondensatorplatten des supraleitenden Qubits ausruht.

Harmonische Bärtierchen

Der Fairness halber: so ganz wars das doch noch nicht. Die Forscher:innen haben ihre Hypothese nämlich mit einem theoretischen Modell untermauert. Das ist eine übliche Herangehensweise: ich erstelle ein Modell meines Systems, berechne damit etwas und im Idealfall stimmt diese Vorhersage mit dem Experiment überein.

Bärtierchen als harmonischer Oszillator
Das Forscherteam modelliert die Bärtierchen als harmonische Oszillatoren. Links das Energieschema, rechts das klassische Pendant: eine Sprungfeder.

Was ich jedoch grandios fand ist, wie sie das Bärtierchen modelliert haben. Denn aus physikalischer Sicht ist ein Bärtierchen viel zu komplex. Wenn ihr mich fragt, ist jedes System mit mehr als einem Atom viel zu komplex. Das fand das Forscherteam offenbar auch, denn sie haben das Bärtierchen als Reihe harmonischer Oszillatoren beschrieben – das quantenmechanische Pendant zu einer Sprungfeder. Neben dem Qubit (also einem System, das nur zwei Zustände annehmen kann), ist der harmonische Oszillator das einfachste System, was es in der Quantenphysik überhaupt gibt. Lasst mich das verdeutlichen. Kennt ihr diesen Witz?

Ein Farmer hat das Problem, dass seine Kühe nicht genug Milch geben. Er holt einen Physiker zur Hilfe. Nach einigen Stunden sagt er begeistert: „Ich habe eine Lösung, aber sie gilt nur für kugelförmige Kühe im Vakuum.“

Der Witz spielt darauf an, dass Physiker:innen ihre Probleme manchmal so extrem vereinfachen, dass sie mit der Realität nicht mehr viel zu tun haben. Der harmonische Oszillator ist die kugelförmige Kuh der Quantenphysik.

Sobald das Bärtierchen ein harmonischer Oszillator ist, ist das Problem einfach zu lösen. Und siehe da: wenn ich das Bärtierchen als quantenmechanisches System beschreibe, dann kann ich es auch quantenmechanisch mit dem Qubit verschränken. Wie überraschend!

Das Bärtierchen als Qubit

Nachdem das Forscherteam die Verschränkung zwischen Bärtierchen und Qubit erfolgreich theoretisch(!) beschrieben hatte, haben sie festgestellt: hm, eigentlich sind nur zwei Zustände des Oszillator-Bärtierchens relevant für das Experiment. Zwei Zustände? Das ist ja noch besser! Das ist ja ein Qubit! Oh ja: sie beschreiben das Bärtierchen – ein mehrzelliges Lebewesen – als Qubit! Ein System mit nur zwei möglichen Zuständen!

Das Bärtierchen als Qubit
Anschließend vereinfacht das Team das Modell so weit, dass das Bärtierchen als Qubit interpretiert wird. Links das Energieschema, rechts die zwei Zustände 0 und 1 eines Qubits.

Der Beweis?

Es geht in dem Preprint aber nicht nur um ein theoretisches Modell, sondern um ein echtes Experiment. Die Forscher:innen mussten also irgendwie beweisen, dass im Experiment auch tatsächlich passiert, was sie behaupten: dass das Bärtierchen mit dem Qubit verschränkt ist.

Das haben sie auf einem Umweg versucht. Zuerst haben sie das erste Qubit (angeblich) mit dem Bärtierchen verschränkt. Dann haben sie dieses Bärtierchen-Qubit mit einem zweiten Qubit verschränkt. Die Verschränkung der beiden Qubits haben sie dann experimentell gemessen. Weil das Ergebnis mit den Vorhersagen des theoretischen Modells übereinstimmt schlussfolgern die Forscher:innen: das Bärtierchen muss mit dem ersten Qubit verschränkt gewesen sein.

Das ist aber keine saubere Schlussfolgerung. Wenn man das Bärtierchen als normales, nicht-quantenmechanisches Füllmaterial des Kondensators betrachtet, ist der Ausgang des Experiments der Gleiche. Das heißt nicht zwangsläufig, dass das Bärtierchen und das Qubit nicht verschränkt gewesen sind. Es heißt aber: die experimentellen Ergebnisse beweisen die Verschränkung nicht. Tatsächlich beweist das Experiment, so wie es im Preprint beschrieben ist, nicht einmal, dass das Bärtierchen das Qubit überhaupt irgendwie beeinflusst hat.

Und jetzt?

Ich wurde gefragt, ob dieser Artikel nun negative Folgen für die Forscher:innen hat. Ob sie ihren Ruf verloren haben, ihre Glaubwürdigkeit, gar ihren Job.

Nein, das Ganze hat vermutlich absolut gar keine Folgen. Wie zu Anfang gesagt handelt es sich hier um einen Preprint. Einen Entwurf für einen Artikel, der auf einer öffentlichen Plattform hochgeladen wurde. Jeder kann hier hochladen, was er oder sie will. Außerdem sind die Ergebnisse ja nicht mutwillig falsch oder gar ein Betrugsversuch. Sie zeigen nur einfach nicht das, was die Forscher:innen behaupten. So etwas passiert ständig. Wäre der Artikel nicht viral gegangen, wäre er genauso untergangen wie tausende andere Artikel, die jeden Tag ins Internet gestellt werden.

Was jedoch zweifelsfrei beeindruckend ist, ist die Leistung des Bärtierchens. Ein Stück Staub hätte im Experiment einen ähnlichen Effekt gehabt wie das gefrorene Bärtierchen (wir erinnern uns: das Experiment wurde bei -273°C durchgeführt). Es hätte aber nicht den gleichen Ausgang genommen, wenn ein quicklebendiges, krabbelndes, warmes Bärtierchen dringesessen hätte. Quanteneffekte sind sehr empfindlich. Wenn sich da irgendetwas bewegt hätte, wäre die Verschränkung zwischen den beiden Qubits zerstört worden. Das bedeutet: das Bärtierchen war während des Experiments ohne jegliche Lebenzeichen – und ist nach dem Experiment fröhlich seiner Wege gekrabbelt.

Ein Tierchen, das so etwas kann, wird eines Tages vielleicht wirklich Schrödingers Katze nacheifern und die Quantenwelt erobern. Die Forscher:innen wollen es weiter versuchen und ich bleibe gespannt.


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1 thought on “Schrödingers Bärtierchen

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