Über ein Jahrhundert lang haben Physiker*innen über die exakte Natur des „Quantensprungs“ diskutiert, ein zentrales Konzept der Quantenphysik, das beschreibt, wie Elektronen in einem Atom zwischen diskreten Energieniveaus springen, ohne dabei einen Zwischenzustand einzunehmen.
Bahnbrechende aktuelle Forschung liefert jetzt klare Antworten und beendet langwierige Debatten über die vermeintlich spontane und zufällige Natur dieser Sprünge.
Quantensprünge vorhersagen und umkehren
Forschende der Yale University in den USA konnten zeigen, dass Quantensprünge nicht völlig spontan oder zufällig sind.
Mit einem supraleitenden Schaltkreis, der ein Atom nachahmte, haben sie diese Vorgänge beobachtet und sogar beeinflusst. Noch bevor ein Sprung erfolgte, traten Signale auf, die kurzfristige Vorhersagen ermöglichten, eine längerfristige Prognose bleibt aber weiterhin unmöglich.
Entscheidend ist, dass in dieser kontrollierten Umgebung ein Eingriff möglich war: Kurz nachdem ein Sprung begonnen hatte, konnten die Wissenschaftler*innen durch einen elektrischen Impuls eingreifen und das Atom in seinen Grundzustand zurückversetzen.
Dies gelang nur, weil die Sprünge einem vorhersehbaren Ablauf zwischen den Energieniveaus folgen und etwa vier Mikrosekunden dauern, statt, wie manche Theorien annehmen, sofort abzulaufen.
Die Fähigkeit, Quantensprünge zu steuern, könnte enormen Einfluss auf die Entwicklung der Quantencomputer haben. Quantenphysiker Zlatko Minev sieht darin einen wichtigen Schritt zur Korrektur von Fehlern, die während quantenmechanischer Berechnungen auftreten können.
Ein unerwarteter Sprung, möglicherweise ein Hinweis auf einen Rechenfehler, könnte zukünftig rechtzeitig erkannt und sogar während des Vorgangs rückgängig gemacht werden.
Quantentechnologie der Zukunft
Die Quanteninformationswissenschaft, die sich auf die Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften für innovative Technologien fokussiert, erfährt aktuell starke Förderung und reges Forschungsinteresse.
Programme wie die Quantum Leap Challenge Institutes der US-amerikanischen National Science Foundation, einer staatlichen Förderagentur für Wissenschaft, treiben mit interdisziplinärer Zusammenarbeit die Entwicklung in den Bereichen Quantensensorik, -rechentechnik und -netzwerke voran.
Solche Organisationen wollen Durchbrüche in Biomedizin, Grundlagenphysik und Materialwissenschaft erreichen, und sie unterstützen landesweite Initiativen, die die Quantenforschung schneller vorantreiben sollen.
Die gezielte Steuerung von Quantenphänomenen markiert damit einen weiteren wichtigen Schritt auf dem Weg zu den Technologiemöglichkeiten der nächsten Generation.
