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Quantensprung von Schall erstmals in Echtzeit beobachtet
Ein schwingender Resonator verliert seine Energie im Quantenbereich nicht stufenlos, sondern in einzelnen Portionen. Forscher haben nun erstmals in Echtzeit verfolgt, wie ein Phonon, ein Quant mechanischer Schwingung, vom ersten angeregten Zustand in den Grundzustand springt. Möglich wurde das durch einen besonders langlebigen nanomechanischen Resonator und wiederholte Messungen mit einem supraleitenden Qubit.
Stanford (U.S.A.). Eine angeschlagene Stimmgabel wird immer leiser, bis ihre Schwingung verschwindet, und auf unserer Größenskala wirkt dieser Energieverlust kontinuierlich. Im Quantenbereich kann die Schwingungsenergie dagegen nur bestimmte Werte annehmen, denn ihre elementaren Anregungen heißen Phononen und entsprechen einzelnen Energiequanten der kollektiven Bewegung vieler Atome.
Mit Schall ist hier eine mechanische Schwingung in einem Festkörper gemeint, nicht ein hörbarer Ton. Quantensprünge zwischen diskreten Energiezuständen wurden bereits in anderen Quantensystemen direkt beobachtet, bei mechanischen Schwingungen ließ sich ihr zeitlicher Ablauf bisher jedoch nicht an einzelnen Phononen verfolgen. Dafür muss die Energie eines Resonators oft genug gemessen werden, ohne den Zustand bei jeder Abfrage zu zerstören.
Forscher der Stanford University um Prof. Amir Safavi-Naeini haben dafür einen nanomechanischen Resonator mit einem supraleitenden Qubit gekoppelt. Das Qubit wirkt als elektrischer Detektor, dessen Resonanz von der Phononenzahl im mechanischen System abhängt, sodass das Team wiederholt eine sogenannte zerstörungsfreie Quantenmessung der Phononenzahl durchführen kann.
Die Primärstudie gibt für den Resonator eine mechanische Lebensdauer von 2,1 Millisekunden an. Über die dispersive Kopplung verschiebt jedes zusätzliche Phonon die Qubit-Frequenz um 328 Kilohertz, sodass sich die Energiezustände voneinander unterscheiden lassen. Einzelne Phononenzustände konnten die Forscher mit einer Präparationsgüte von 85 Prozent erzeugen.
„Was diese Studie zeigt, wird es uns ermöglichen, bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien mit Schall voranzukommen. Wir haben gesehen, dass schwingende Objekte Quantenverhalten zeigen können, was eine Voraussetzung für viele der Operationen ist, die für Quantencomputing und Sensorik benötigt werden“, sagt Prof. Amir Safavi-Naeini.
Für die Messung wählt das Team zunächst Durchläufe aus, in denen sich der Resonator mit einem einzelnen Phonon im ersten angeregten Zustand befindet. Anschließend fragt das Qubit die Phononenzahl wiederholt ab, wobei die Messfolgen über viele Abfragen beim Zustand eins bleiben und dann abrupt zum Zustand null wechseln. Damit lässt sich der zufällige Zeitpunkt verfolgen, an dem der Resonator sein letztes Phonon verliert und in den Grundzustand fällt.
Die von den Autoren öffentlich bereitgestellten Studiendaten enthalten 8.447 ausgewählte Messverläufe mit jeweils 294 Paritätsabfragen. Entscheidend ist nicht nur der Endzustand, sondern der diskrete Übergang innerhalb einer einzelnen Zeitspur, und genau diese direkte zeitliche Auflösung unterscheidet das Experiment von früheren Hinweisen auf quantisierte mechanische Energie.
Die beiden Erstautoren Takuma Makihara und Erik Szakiel entwickelten die Integration von Resonator und Qubit, wobei beide Komponenten ihre ungewöhnlich empfindlichen Quanteneigenschaften behalten mussten.
„Wir mussten ständig neue Verfahren entwickeln, um dieses extrem langlebige, schwingende Objekt herzustellen und es dann mit dem Qubit zu integrieren, unserem kleinen elektrischen Detektor, ohne eines der beiden Teilsysteme zu beeinträchtigen“, sagt Takuma Makihara von der Stanford University.