Dekohärenz als Mechanismus des Übergangs von Quanten- zu klassischer Realität

Die fundamentale Kluft zwischen der probabilistischen Welt der Quantenmechanik und der deterministischen, uns vertrauten klassischen Realität bildet eines der tiefgreifendsten Rätsel der modernen Physik. Im Zentrum dieser Untersuchung steht die Dekohärenz, ein Schlüsselkonzept, das erklärt, wie makroskopische Objekte ihre inhärenten Quanteneigenschaften, wie die kohärente Superposition, verlieren und ein klassisches Erscheinungsbild annehmen. Diese Transformation, oft als Quanten-Klassik-Übergang bezeichnet, wird durch die unaufhaltsame Wechselwirkung eines Quantensystems mit seiner Umgebung vorangetrieben, beispielsweise durch den Austausch thermischer Strahlung oder Stöße von Luftmolekülen.

Das ursprüngliche quantenmechanische Paradigma, das durch die Wellenfunktion beschrieben wird, erlaubt Zustände wie die Superposition, die im Gedankenexperiment von Schrödingers Katze kulminiert, wo das Objekt gleichzeitig lebendig und tot existiert, bis eine Beobachtung die Wellenfunktion kollabieren lässt. Die mathematische Grundlage für die Wahrscheinlichkeiten dieser Zustände liefert die Bornsche Regel, die das Betragsquadrat der Wellenfunktion in Beziehung setzt. Ein zentraler quantitativer Aspekt ist das exponentielle Verschwinden von Quanteninterferenzeffekten, sobald die Größe des Systems zunimmt, ein Phänomen, das durch die Dekohärenz erklärt wird.

Das Dekohärenzkonzept, ursprünglich 1970 von Dieter Zeh vorgeschlagen und später von Forschern wie W.H. Zurek weiterentwickelt, bietet einen Rahmen, der die starre Trennung zwischen Quanten- und klassischem Gültigkeitsbereich, wie sie in der Kopenhagener Deutung postuliert wurde, überwindet. Es wird wissenschaftlich konsistent vertreten, dass die makroskopische Realität eine unvermeidliche Konsequenz der Quantengesetze auf großer Skala ist. Alternative Deutungen, wie die Viele-Welten-Interpretation, postulieren hingegen die fortwährende Existenz aller Zustände in parallelen Universen.

Die praktische Relevanz dieser theoretischen Auseinandersetzung ist immens, insbesondere angesichts der Fortschritte im Bereich der Quantentechnologien. Die Beherrschung der Dekohärenz ist für die Entwicklung funktionsfähiger Quantencomputer unerlässlich, da diese auf der Erhaltung der Kohärenz über lange Zeiträume angewiesen sind. In Europa schreitet der Aufbau von Quantencomputing-Infrastrukturen voran; so hat die EuroHPC Joint Undertaking Verträge für sechs europäische Standorte geschlossen, darunter das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ), das ein System auf Basis supraleitender Qubits hosten wird, um ein europäisches Quantencomputing-Netz zu etablieren.

Aktuelle Forschung konzentriert sich darauf, die Mechanismen der Dekohärenz detailliert zu untersuchen, um die Kohärenz gezielt zu verlängern. Forscher um Nahid Talebi an der Universität zu Kiel untersuchten Materialdefekte in hexagonalem Bornitrid, die bei Raumtemperatur als Quantenbits fungieren können. Diese Studie zeigte, dass die Kohärenz bei Raumtemperatur bereits nach 200 Femtosekunden durch Phononen zusammenbrach, was die Empfindlichkeit von Überlagerungszuständen in Festkörpern unterstreicht. Darüber hinaus wird die Verschränkung genutzt, um die Messpräzision in der Metrologie zu steigern. Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) demonstrierten, dass verschränkte Ionen die Stabilität optischer Atomuhren steigern. Ein verwandter Fortschritt an der Universität Wien ermöglicht die Echtzeit-Zertifizierung verschränkter Quantenzustände durch den Einsatz aktiver optischer Schalter. Diese Arbeiten belegen, dass die theoretische Auseinandersetzung mit dem Übergang von der Quanten- zur klassischen Welt direkt die technologische Machbarkeit zukünftiger Quantenanwendungen beeinflusst.