Erwin Schrödinger hätte sich in seinen kühnsten Träumen nicht vorstellen können, wie sein berühmtes Gedankenexperiment über die Katze, die gleichzeitig tot und lebendig ist, in die moderne Wissenschaft Einzug hält. Das Bild dieser paradoxen Katze ist mittlerweile zu einem Symbol der Quantenmechanik geworden. Eine Forschungsgruppe der University of New South Wales in Sydney, Australien, hat diese Konzepte nun revolutioniert, indem sie makroskopische Katzenzustände im Kern des chemischen Elements Antimon in einem Labor geschaffen hat. In einer humorvollen Pressemitteilung posierten die Wissenschaftler mit einer echten Katze vor einer bunten Tapete und verdeutlichten damit die Absurdität und Faszination der Quantenmechanik.

Innerhalb der Quantenmechanik können Teilchen mehrere Zustände gleichzeitig annehmen, was im Alltag als unmöglich erscheint. Im Gegensatz dazu verhält sich klassischer Computerlogik nach den binären Prinzipien von 0 und 1, was die konventionelle Computerkraft einschränkt. Im Bereich der Quantencomputer stellt sich jedoch heraus, dass Qubits – die kleinsten Informationseinheiten – ebenfalls in einem überlagerten Zustand existieren können, wodurch sie gleichzeitig 1 und 0 darstellen können. Dies hat das Potenzial, die Rechenleistung von Computern drastisch zu erhöhen.

Die australische Forschungsgruppe unter der Leitung von Quantenphysiker Andrea Morello hat bei ihren Arbeiten mit Antimon einiges erreicht. Antimon ist nicht nur ein silbergraues Halbmetall, das eine Schlüsselrolle in der Halbleitertechnik spielt, sondern besitzt auch einen bemerkenswerten Kernspin, der die Möglichkeit bietet, acht verschiedene Zustände anzunehmen. Diese Fähigkeit ist entscheidend, da sie die Codierung von Qudits ermöglicht, also Quantenbits mit mehreren Zuständen. Diese Qudits erlauben eine effizientere Speicherung und Verarbeitung von Informationen im Vergleich zu herkömmlichen Qubits.

Das Besondere an diesem Antimon-Katzen-Qudit ist die erhöhte Fehlertoleranz. Während bei einem normalen Qubit schon ein kleiner Fehler genügen würde, um die quantenmechanische Information zu verlieren, benötigt es in diesem System gleich sieben Fehler, um die Information zu verändern. Das eröffnet vollständig neue Perspektiven für die Quantenberechnung und bringt Fortschritte in der Fehlerkorrektur mit sich, einem der größten Hindernisse auf dem Weg zu funktionierenden Quantencomputern.

„Es sind sieben aufeinander folgende Fehler nötig, um die 0 in eine 1 zu verwandeln“, erklärt der Erstautor Xi Yu. Das Experiment eröffnet zudem neue Möglichkeiten für die Entwicklung von robusteren Quantenalgorithmen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden könnten – von der Kryptografie über komplexe Simulationen bis hin zu intelligenten Algorithmen für maschinelles Lernen.

Die Antimonkatze findet sich in einem innovativen Silizium-Quantenschip, der so modifiziert wurde, dass er den Zugang zu den Quantenzuständen einzelner Atome ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass eine sofortige Fehlererkennung und -korrektur stattfindet, bevor sich Fehler anhäufen. „Im übertragenen Sinne ist es so, als ob wir unsere Katze mit einem größeren Kratzer sehen. Sie ist nicht tot, aber wir erkennen, dass etwas nicht stimmt, und können eingreifen, bevor es schlimmer wird“, sagt Morello. Die Entdeckung könnte nicht nur die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern vorantreiben, sondern auch das allgemeine Verständnis von Quantenphänomenen revolutionieren. Die Zukunft der Quantenberechnung könnte also nicht nur schneller, sondern auch zuverlässiger werden. Seien Sie gespannt auf die Entwicklungen, die diese Technologie mit sich bringen könnte!