Quantensuperposition

Superposition ist das vielleicht kontraintuitivste Prinzip der Quantenmechanik. Ein Elektron hat keinen festen Aufenthaltsort, sondern befindet sich gleichzeitig an mehreren Stellen, beschrieben durch eine Wahrscheinlichkeitswelle. Erst bei der Messung kollabiert diese Welle, und das Elektron nimmt einen bestimmten Ort ein.

Das berühmteste Gedankenexperiment dazu stammt von Erwin Schrödinger (1935): Eine Katze in einer verschlossenen Box ist gleichzeitig lebendig und tot, weil ihr Schicksal an ein Quantenereignis gekoppelt ist. Schrödinger wollte damit die Absurdität der Quantenmechanik verdeutlichen, doch Experimente haben immer wieder bestätigt, dass Superposition real ist.

Für Quantencomputer ist Superposition die Grundlage: Ein Qubit in Superposition repräsentiert die Werte 0 und 1 gleichzeitig. Zwei Qubits repräsentieren vier Zustände, drei Qubits acht, und so weiter. Diese exponentielle Zustandsvielfalt ermöglicht Quantenparallelismus.

In der Science Fiction taucht Superposition am häufigsten im Zusammenhang mit Parallelwelten auf. Blake Crouchs Dark Matter nutzt das Prinzip als Grundlage für Reisen zwischen alternativen Realitäten. Die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik geht davon aus, dass bei jeder Quantenmessung das Universum sich aufspaltet und alle Möglichkeiten in parallelen Welten realisiert werden.

Die Frage, was Superposition 'wirklich' bedeutet, ist bis heute ungeklärt. Die Kopenhagener Interpretation sagt: Frag nicht danach, was vor der Messung ist, es ist sinnlos. Die Viele-Welten-Interpretation sagt: Alles ist gleichzeitig real, aber wir beobachten nur einen Ast. Die Pilot-Wellen-Theorie (de Broglie-Bohm) sagt: Es gibt verborgene Variablen, die den Ausgang bestimmen. Alle drei Interpretationen machen dieselben Vorhersagen. Welche richtig ist, kann kein Experiment entscheiden.

Für Quantencomputer ist diese philosophische Frage praktisch irrelevant: Man rechnet mit Superpositionen, egal wie man sie interpretiert. Die technische Herausforderung ist die Dekohärenz: Ein Qubit in Superposition ist extrem empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Jede Wechselwirkung mit der Umgebung kollabiert den Zustand. Deshalb müssen Quantencomputer auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, einer der Gründe, warum skalierbare Quantencomputer noch schwierig zu bauen sind.