Quantenüberlagerung

Die Quantenüberlagerung ist ein Grundprinzip der Quantenmechanik, nach dem sich ein Quantensystem gleichzeitig in einer linearen Überlagerung von Basiszuständen befinden kann. Die Gesamtheit der möglichen Zustände wird durch eine Wellenfunktion oder einen Zustandsvektor beschrieben, der sich gemäß der Schrödinger-Gleichung weiterentwickelt.

Mathematisch lässt sich ein Zustand als Summe c1|φ1> + c2|φ2> ... schreiben, wobei die Koeffizienten komplexe Amplituden sind. Die Wahrscheinlichkeiten, bei einer Messung einen bestimmten Zustand zu erhalten, ergeben sich aus dem Betragsquadrat der Amplituden (Born-Regel).

Typische Beispiele: ein Spin-1/2-System, bei dem der Zustand als α|↑> + β|↓> vorliegt; oder ein Teilchen in der Doppelspalt-Überlagerung bzw. in den beiden Wegzuständen eines Experiments. Photonen können Polarisationszustände wie |H> und |V> überlagert sein; in der Quanteninformation dienen Quantenbits (Qubits) als Superpositionszustände von |0> und |1>.

Die Überlagerung ist empfindlich gegenüber Wechselwirkung mit der Umwelt; durch Dekohärenz geht sie in eine statistische Mischung über. Messungen zerlegen die Überlagerung in einen der möglichen Basiszustände, wobei die Ergebnisse probabilistisch erscheinen.

Sie bildet die Grundlage vieler Experimente und Technologien, etwa in der Quantencomputing, Quantensimulation, Präzisionsmessung und Quantenkommunikation. Gleichzeitig demonstriert das Phänomen die Grenze zwischen der mikroskopischen Welt der Quanten und der makroskopischen Alltagswelt, da Umweltinteraktionen Überlagerungen rasch zerstören können.