Welle oder Teilchen?

aus spektrum.de, 28, 8, 2024    Woran erkennt man, ob Teilchen Quanteneigenschaften haben?   zu Jochen Ebmeiers Realien

Quanten-Thermodynamik 

Ein Thermometer für die »Quantenhaftigkeit« eines Teilchens

Ob ein Teilchen quantenphysikalische Eigenschaften hat oder nicht, zeigt sich an seinem thermodynamischen Verhalten: Quantensysteme können Wärme viel schneller übertra-gen.
 

von Manon Bischoff

Es ist die zentrale Herausforderung beim Bau von Quantencomputern: Die Re-cheneinheiten, so genannte Qubits, müssen ihre »Quantenhaftigkeit« behalten. Da-mit ist gemeint, dass die Objekte ein quantenmechanisches Verhalten an den Tag legen – also mal Welle und mal Teilchen sind. Sie können gleichzeitig verschiedene Zustände einnehmen oder scheinen über weite Distanzen auf fast magische Weise untrennbar miteinander verbunden zu sein. Allerdings sind diese quantenartigen Eigenschaften äußerst zerbrechlich. Sobald ein Qubit mit seiner Umgebung wech-selwirkt, verliert es seine besonderen Merkmale und wird zu einem fast schon lang-weiligen Objekt; keine Überlagerungen oder Verschränkungen sind mehr sichtbar.

Physiker um Patryk Lipka-Bartosik von der Université de Genève haben nun eine außergewöhnliche Methode dafür beschrieben. Ihren Berechnungen zufolge hinter-lassen die quantenphysikalischen Eigenschaften eines Objekts Spuren in seinem thermodynamischen Verhalten. So kann ein Quantensystem beispielsweise Wärme deutlich schneller leiten als ein klassisches. »Dies ist ein neuartiger Ansatz zum Nachweis von Quantenmerkmalen durch Wärmeaustausch während eines thermo-dynamischen Prozesses«, schreiben die Forscher in ihrer im August 2024 erschie-nenen, noch nicht begutachteten Arbeit.

Dafür untersuchten die Physiker zunächst ein Teilchenpaar, das miteinander ver-schränkt ist, sowie ein gewöhnliches Teilchenpaar. Der Unterschied zwischen bei-den besteht darin, dass sich das verschränkte Paar bloß durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschreiben lässt – und nicht durch zwei einzelne. Wenn man diese beiden Systeme jeweils mit einer wärmeren oder kälteren Umgebung in Kontakt bringt, kommt es zum Wärmeaustausch. Wie sich herausstellt, kann das verschränk-te Quantensystem »überraschenderweise Wärmeströme erzeugen, welche die Gren-zen des klassischen Wärmeaustauschs überschreiten«, schreiben die Fachleute. Falls ein System also Wärme besonders schnell überträgt, besitzt es Quanteneigenschaf-ten.

Als Nächstes haben die Forscher untersucht, wie sich eine zweite fundamentale Quanteneigenschaft von Teilchen bei thermodynamischen Prozessen bemerkbar macht: die so genannte Kohärenz. Diese gibt gewissermaßen an, wie stark der wel-lenartige Charakter eines Teilchens ausgeprägt ist. Lipka-Bartosik und sein Team verglichen dafür ein kohärentes Quantenteilchen mit einem kaum kohärenten Teil-chen, das sich also wie ein punktförmiges Objekt verhält. Auch hierbei zeigten sich deutliche Unterschiede beim Wärmeaustausch: Wieder war das Quantenteilchen in der Lage, Wärme viel schneller zu übertragen.

Auch wenn die Forscher sehr spezifische Situationen untersucht haben, betonen sie, dass ihre Methoden allgemein sind und sich daher auf andere, komplexere Systeme übertragen lassen. »Das könnte zu konkreten Anwendungen führen, etwa eine Art intelligentes Thermometer, das nicht nur die Temperatur oder die abgegebene Wär-me misst, sondern zudem strukturelle Informationen über das Quantensystem preisgibt«, sagte der Physiker Gerardo Adesso von der University of Nottingham, der nicht an der Arbeit beteiligt war, gegenüber »New Scientist«. 

 

Nota. - Ein 'echtes' Quant ist ein solches, das als Welle und als Teilchen zugleich auftritt. Dabei hängt die Kohärenz des Quants von der Ausprägung seines Wellen-charakters ab, nicht von seiner punktuellen Erscheinungsweise. Sowie der Wellencha-rakter schwindet, wird es nicht 'weniger' als ein Quant (nämlich ein punktuelles in-kohärentes Infra-Qäntchen), sondern mehr - nämlich in unserm Meso kosmos, wo und weil es mit Materie (als Materie?) wechselwirkt; das hier oder da und mit nichts verschränkt ist und von nichts überlagert wird. Die Thermo-Spuren sind gewisser-maßen eine Vorstufe von Wechselwirkung. 

In der wirklichen Welt kommen Quanten und Infra-Qäntchen nur in Laboren vor. Vielleicht auch in der Plasma-Suppe, in der das Universum schwebt...

Ich hoffe, so ists richtig.
JE