Forscher behaupten, Bärtierchen quantenverschränkt zu haben – kann das stimmen?
Dieser Artikel ist ein Beitrag für den Beitrag für den Fast Forward Science 2021/22 Wettbewerb – http://fastforwardscience.de – #FFSci #OpenBoxSpezial
Bärtierchen. die man auch Tardigraden nennt, sind absolut faszinierend. Sie gelten als nahezu unsterblich und können weder von extremer Hitze, Kälte oder radioaktiver Strahlung getötet werden. Wegen dieser besonderen Eigenschaften wurden sie unter anderem sogar schon auf den Mond geschossen, wobei nicht ganz klar ist, ob die raumfahrenden Bärtierchen den Aufprall auf unserem Trabanten überlebt haben – es ist aber sehr gut möglich, dass auf dem Mond lebendige Bärtierchen vor sich hin vegetieren. In einem anderen Experiment wurden Bärtierchen aus einer Leichtgaspistole geschossen und vor kurzem fand man ein in Bernstein konserviertes Urzeit-Bärtierchen. Die Liste an spektakulären Bärtierchen-News ist lang und nun kommt der bislang unglaublichste Versuch hinzu: Forscher wollen ein Bärtierchen quantenverschränkt haben.
Doch was ist Quantenverschränkung überhaupt? Es handelt sich dabei um einen ziemlich erstaunlichen Effekt. Auf Quantenebene, also auf der allerkleinsten Ebene, können Teilchen miteinander verschränkt sein und agieren dann als ein einzelnes Objekt. Zur Veranschaulichung kann man sich ein Elektron vorstellen, also ein negativ geladenes Elementarteilchen. Dieses Elektron hat eine gewisse Drehung, einen sogenannten Spin, der der Einfachheit halber hier mit -1 bezeichnet wird. Nun kommt ein weiteres Elektron dazu, das einen entgegensetzen Spin hat, also +1. Diese Elektronen können miteinander quantenverschränkt sein, ihr Spin ergibt dann zusammengerechnet immer 0. Wenn das eine Elektron seine Drehrichtung ändert, tut das andere dies auch. Sie reagieren gemeinsam. Und jetzt kommt das wirklich Verblüffende: Das ist völlig unabhängig davon wie weit die beiden voneinander entfernt sind. Wenn sich das eine Elektron in unserem Sonnensystem befindet und das andere am anderen Ende der Galaxis, zehntausende Lichtjahre entfernt, dann würden sie trotzdem sofort, also instantan, ihren Spin aufeinander abgleichen. Albert Einstein konnte das gar nicht glauben und nannte den Effekt daher spukhafte Fernwirkung. Tatsächlich stellt die Quantenverschränkung aber keine Verletzung der Regel dar, dass nichts schneller als das Licht sein kann. Denn die beiden Elektronen in unserem Beispiel sind eins, es findet kein Informationsaustausch über die Distanz zwischen den beiden statt.
Eigentlich sollte dieser Effekt nur auf der quantenmechanischen Ebene möglich sein – doch nun behaupten Forscher, sie hätten ein Bärtierchen quantenverschränkt. Bärtierchen sind zwar nicht besonders groß, aber im Vergleich zu quantenmechanischen Elementarteilchen natürlich dennoch riesig. Die Forscher von der Nanyang Technological University in Singapur hatten das Ziel, ein Quantensystem mit einem biologischen System zu verschränken. Dies ist eine schwierige Aufgabe, wie sie in ihrem Paper selbst beschreiben:
“Quanten- und biologische Systeme werden nur selten gemeinsam diskutiert, da sie scheinbar gegensätzliche Bedingungen erfordern. Das Leben ist komplex, heiß und feucht, während Quantenobjekte klein, kalt und gut kontrolliert sind. Hier überwinden wir diese Barriere mit einem Bärtierchen – einem mikroskopisch kleinen vielzelligen Organismus, von dem bekannt ist, dass er extreme physiochemische Bedingungen durch einen latenten Zustand des Lebens, der als Kryptobiose bekannt ist, toleriert.”
arXiv:2112.07978v2 [quant-ph] 16 Dec 2021
Und so lief das völlige verrückte Experiment ab: Das Team sammelte eine Bärtierchenart namens Ramazzottius varieornatus von einem Hausdach in Dänemark ein. Sie froren drei von ihnen auf zehn Millikelvin über der Temperatur des absoluten Nullpunkts ein und senkten den Druck auf nur 0,000006 Millibar. Bedingungen, bei denen wir Menschen längst hinüber wären. Die Bärtierchen hingegen sahen tot aus, waren es aber nicht – ihr Stoffwechsel sank auf Null und sie traten in den Zustand der Kryptobiose ein, in dem sie jahrelang überleben können. Diese Kryptobiose, ein todesähnlicher Zustand, ist die Fähigkeit, die den Bärtierchen ihre annähernde Unsterblichkeit verleiht. Vermutlich verharren auch die Bärtierchen auf dem Mond dort oben in Kryptobiose und warten darauf, dass wieder bessere Zeiten anbrechen und sie ihren Stoffwechsel wieder hochfahren können. Nachdem die Bärtierchen in dem Versuch in Kryptobiose versetzt wurden, versuchte das Forscherteam, die Bärtierchen mit zwei supraleitenden Qubits zu verschränken. Qubit ist die Abkürzung für Quantenbit und sie sind die kleinstmögliche Speichereinheit eines Quantencomputers, also das Quantenäquivalent zu einem Bit bei einem normalen Computer.
Ein Qubit hat allerdings ein wenig mehr auf dem Kasten als ein klassisches Bit. Es basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und das bedeutet, dass es im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bit mehrere Zustände gleichzeitig annehmen kann. Erst wenn man es einer Messung unterzieht legt es sich auf einen konkreten Zustand fest. Durch diese Eigenschaft, die man auch Superposition nennt, können Quantencomputer schon mit wenigen Qubits gigantische Rechenleistungen erzielen. Und wie kann man sich so ein Qubit konkret vorstellen? Es gibt mehrere Möglichkeiten, sich nach den Prinzipien der Quantenphysik verhaltende Qubits praktisch zu realisieren aber die Technik ist ziemlich aufwendig und für den kommerziellen Einsatz noch nicht geeignet. Ein Ansatz zur Realisierung von Quantenbits ist zum Beispiel ein auf den absoluten Nullpunkt gekühlter metallischer Leiter, der Strom ohne Widerstand gleichzeitig in zwei Richtungen leiten kann und dadurch den Zustand der Superposition erreicht.
Mit so einem Quantenbit wollten die Forscher also die Bärtierchen verschränken. Sie durchliefen drei Versuchsreihen, jede mit einem anderen Bärtierchen. Im Wesentlichen setzten sie einfach ein Bärtierchen auf ein Qubit. Da ein gefrorenes Bärtierchen größtenteils aus Wasser besteht, wirkte es nach Ansicht des Teams wie ein Leiter für elektrischen Strom.
Die Resonanzfrequenz der Qubits, auf dem sich die Bärtierchen befanden, verschob sich nach unten. Das Team schreibt dazu:
“Wir beobachten eine Kopplung zwischen dem Tier in Kryptobiose und einem supraleitenden Quantenbit… Unsere jetzige Untersuchung ist vielleicht die engste Verbindung zwischen biologischer Materie und Quantenmaterie, die mit heutiger Technologie möglich ist.”
arXiv:2112.07978v2 [quant-ph] 16 Dec 2021
Eines der Bärtierchen wurde am Ende des Experiments sogar wieder aufgetaut und hat überlebt. Das Experiment klingt zwar höchst spektakulär, doch die Fachwelt ist kritisch.
Der Physiker Ben Brubaker hat in einem lesenswerten Twitter-Faden erläutert, dass die Forscher im Prinzip nur eine klassische, nicht-quantenmechanische Wechselwirkung zwischen dem Bärtierchen und dem Qubit erreicht haben. Einige Forscher sagen auch, dass nicht die Verschränkung mit dem Bärtierchen die Frequenz des Qubits geändert hätte, sondern schlicht die niedrige Temperatur des gefrorenen Bärtierchens. Wenn hier einfach nur ein Temperatureffekt gemessen wurde, könnte man keinesfalls von Quantenverschränkung sprechen.
So oder so ist das Experiment allerdings äußerst spannend, denn es beweist wieder mal, was für unglaubliche Lebewesen Bärtierchen sind. Eigentlich unglaublich: Die Forscher setzten Bärtierchen den extremsten und längsten Bedingungen aus, die sie je erlebt haben – mehr als siebzehn Tage lang nahe dem absoluten Nullpunkt, wodurch die innere Biologie der Bärtierchen vollständig zum Stillstand kam. Und anschließend wurde eines der Bärtierchen erfolgreich wieder aufgeweckt, indem es behutsam an den normalen atmosphärischen Druck und die normale Temperatur angepasst wurde und hat dann einfach weiter gelebt, so als wäre nichts gewesen. Was Widerstandsfähigkeit und Ausdauer angeht, könnten wir uns alle mal eine Scheibe von den Bärtierchen abschneiden.
Noch mehr Informationen zu dem verrückten Bärtierchen-Quanten-Experiment erhaltet Ihr in diesem Video:
