Quantenvorteile bei mechanischen Aufgaben

In der Quantenphysik gibt es viele seltsame Verhaltensweisen, die Vorteile bei Rechen- und Kommunikationsaufgaben bieten. Bits in einem Quantencomputer können gleichzeitig Null und Eins sein, wodurch Probleme schneller gelöst werden können als mit herkömmlichen Computern. Zwei Quantenobjekte können sich über große Entfernungen hinweg augenblicklich beeinflussen, was die Übermittlung von Geheimnissen ermöglicht, die ohne Bruch der physikalischen Gesetze nicht abgehört werden können. Solche Quantenphänomene wurden bereits an winzigen Objekten wie Atomen, Molekülen und mikroskopischen Schaltkreisen nachgewiesen. An größeren Objekten konnten sie jedoch noch nicht beobachtet werden. Warum widerspricht die Quantenverrücktheit unserer Alltagserfahrung? Könnte es sein, dass die Quantenphysik fehlerhaft wird, wenn Objekte zu groß werden? Können Quanteneigenschaften in mesoskopischen (großen, aber nicht zu großen) Objekten beobachtet werden, die wir ohne Mikroskop sehen können? Diese Fragen lassen sich mithilfe von mechanischen Aufgaben beantworten Aufgaben mit sich bewegenden Objekten, wie dem Werfen eines Balls oder der Beobachtung des Pendels einer Standuhr. Quantenobjekte können bei solchen Aufgaben Vorteile haben: Ein geworfener Quantenball kann weiter fliegen als erwartet, und ein geschwungenes Quantenpendel befindet sich häufiger auf der einen als auf der anderen Seite einer Standuhr. Diese mechanischen Aufgaben lassen sich mit mesoskopischen Objekten unkompliziert durchführen, da sie nur Schritte umfassen, die bereits im Labor üblich sind: beispielsweise das Loslassen und Wiedereinfangen eines Objekts oder die Beobachtung seiner Bewegung in einer Falle. Die Einführung solcher Aufgaben ebnet somit den Weg für den Nachweis des Quantenvorteils mit Objekten, die wir mit bloßem Auge sehen können. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, die Theorie hinter mechanischen Aufgaben zu erforschen, Methoden zur Durchführung mechanischer Aufgaben mit mesoskopischen Objekten im Labor vorzuschlagen und zu untersuchen, wie sich Imperfektionen auf den Quantenvorteil auswirken. Unterdessen ist es schwieriger, Vorteile bei Rechen- und Kommunikationsaufgaben mit mesoskopischen Objekten nachzuweisen. Größere Objekte sind oft schwerer zu kontrollieren, und solche Aufgaben stellen höhere Anforderungen als mechanische Aufgaben. Ein weiteres Ziel dieses Projekts ist daher die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Quantenvorteil bei mechanischen Aufgaben und der bekannteren Quantenverrücktheit bei Rechen- und Kommunikationsaufgaben. Aus diesen Zusammenhängen lässt sich indirekt der Quantenvorteil bei Rechen- und Kommunikationsaufgaben aus dem Quantenvorteil bei mechanischen Aufgaben ableiten. Wenn also Experimente mit mechanischen Aufgaben, an denen mesoskopische Objekte beteiligt sind, erfolgreich durchgeführt werden, werden sie beweisen, dass Quantenverrücktheit in all ihren vielen Formen in Objekten vorhanden ist, die wir mit bloßem Auge sehen können.