Große Objekte wie ein Baseball, ein Auto oder Planeten verhalten sich gemäß der von Sir Isaac Newton formulierten Gesetze der klassischen Mechanik. Kleine Objekte wie Atome und subatomare Teilchen werden durch die Quantenmechanik beschrieben, in der sich ein Objekt sowohl wie eine Welle als auch wie ein Teilchen verhalten kann.
Die Grenze zwischen der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik war immer von großem Interesse. Eine Studie im Journal AVS Quantum Science geht der Frage nach, was ein Objekt „quantenartiger“ macht als ein anderes. Gibt es eine Möglichkeit, die Quantenartigkeit zu beziffern? Die Autoren berichten, dass sie eine Möglichkeit gefunden haben, um genau das zu tun.
Der Grad der Quantenartigkeit ist wichtig für Anwendungen wie Quantencomputer oder Quantensensoren, welche Vorteile aufweisen, die ihre klassischen Gegenstücke nicht haben. Diese Vorteile zu verstehen, erfordert wiederum Erkenntnisse zum Grad der Quantenartigkeit der beteiligten physikalischen Systeme.
Anstatt eine Skala aufzustellen, deren Werte mit dem Grad der Quantenartigkeit zusammenhängen, betrachten die Autoren dieser Studie Extreme – nämlich jene Zustände, die entweder am quantenartigsten oder am wenigsten quantenartig sind. Der Autor Luis Sanchez-Soto sagte, die Idee für die Studie sei durch eine Frage auf einer wissenschaftlichen Tagung entstanden. „Ich hielt ein Seminar zu diesem Thema ab, als jemand mir folgende Frage stellte: ‚Ihr Jungs in der Quantenoptik sprecht immer über die klassischsten Zustände, aber was ist mit den quantenartigsten Zuständen?‘.“
Man weiß seit langer Zeit, dass sogenannte kohärente Zustände als quasi-klassisch beschrieben werden können. Beispielsweise bei einem Laser, wo Licht von mehreren Photonenquellen in Phase ist, was sie zu den am wenigsten quantenartigen Zuständen macht.
Ein Quantensystem kann mathematisch oft durch Punkte auf einer Kugel dargestellt werden. Dieser Darstellungstyp wird als Majorana-Konstellation bezeichnet, und für kohärente Zustände ist die Konstellation einfach ein einzelner Punkt. Weil dies die am wenigsten quantenartigen Zustände sind, hätten die quantenartigsten Zustände Konstellationen, die mehr Fläche der Kugel abdecken.
Die Forscher betrachteten mehrere Möglichkeiten, wie andere Wissenschaftler die Quantenartigkeit untersucht haben und berücksichtigten die Majorana-Konstellation jeder Möglichkeit. Dann fragten sie, welches die gleichmäßigste Punkteverteilung auf einer Kugel für diesen Ansatz ist.
Als Sanchez-Soto und seine Kollegen die Frage der Quantenartigkeit angingen, erkannten sie, dass es nicht nur nützlich ist, sondern auch ein mathematisches Projekt von immenser Schönheit.
(THK)
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