Superposition
Die sogenannte Superposition ist die Fähigkeit eines Quantensystems sich gleichzeitig in mehreren Zuständen zu befinden. Diese Situation ändert sich erstaunlicherweise erst dann, wenn sie gemessen wird.
Die dahinterstehende Theorie ist relativ schwer zu verstehen. Um sie leichter zugänglich zu machen, hat der englische Physiker Thomas Young 1801 ein Experiment entwickelt. Das Doppelspaltexperiment sollte belegen, dass sich Licht in Wellen verbreitet. Da das Experiment relativ einfach zu reproduzieren ist, verwenden es Lehrer an Schulen und Universitäten häufig, um zu demonstrieren, dass Elektronen sich auch wie Wellen verhalten und bei ihrer Bewegung für Interferenzen sorgen können.
Inferenzmuster demonstrieren Wellencharakter des Lichts
Bei dem Experiment wird ein Lichtstrahl auf eine Barriere mit zwei Spalten gerichtet. Das Licht scheint dann durch die Spalten. Das dahinter entstehende Muster wird mit Hilfe einer photographischen Platte dargestellt. Wenn eine der beiden Spalten zugedeckt wird, verhält sich das entstehende Muster wie erwartet: Das Licht erzeugt eine Linie, die mit dem offenen Spalt übereinstimmt.
Die meisten Menschen erwarten anschließend, dass das durch die Lichtstrahlen erzeugte Muster aus zwei Linien besteht, wenn beide Spalten geöffnet werden. Das ist aber nicht so. Stattdessen zeigt die photographische Platte, dass sich die Lichtstrahlen in mehrere hellere und dunklere Linien in unterschiedlichen Stärken aufteilen: Wellen- beziehungsweise Interferenzmuster entstehen.
Auf diese Weise konnte Young zeigen, dass es zwischen den einzelnen Lichtstrahlen zu Interferenzen kommt, wenn sie die Spalten durchqueren. Eigentlich müssten ja zwei parallele Linien aus Licht zu erkennen sein. Die Photonen bewegen sich aber nicht einfach gerade durch die Spalten, sondern sie breiten sich wellenförmig aus und produzieren zahlreiche Abweichungen und Bewegungen auf ihrem Weg bis zu der photographischen Platte.
Superposition als dritter Zustand
Um dieses Phänomen besser zu verstehen, wurden weitere Experimente entwickelt, die auch den Weg einzelner Photonen nachverfolgbar machen sollten. Erstaunlicherweise haben diese Messungen dazu geführt, dass die Abweichungen der Photonen verhindert werden und die Ergebnisse eher den Voraussagen der klassischen Physik entsprechen: Es entstehen zwei helle Linien auf der photographischen Platte, die der Ausrichtung der zwei Spalten in der Barriere entsprechen. Damit wurde die bereits erwähnte Superposition entdeckt. Physiker gehen mittlerweile davon aus, dass sie sich nicht direkt beobachten lässt. Stattdessen ist es nur möglich, die sich aus einer Superposition ergebenden Auswirkungen und Interferenzen darzustellen.
In der Informatik hat das Konzept der Überlagerung wichtige Auswirkungen auf die Art und Weise, wie Quantencomputer in der Zukunft Daten verarbeiten und speichern werden. Moderne klassische Computer codieren beispielsweise Informationen in Bits von eins oder null – sie können also ähnlich einem Lichtschalter nur einen Zustand haben: an oder aus. Computer, die auf Basis der Quantentheorie arbeiten, verarbeiten aber Informationen als Qubits verarbeiten – eins, null oder eine Überlagerung der beiden Zustände.
