Quantensprung erstmals live in Schall beobachtet

Die meisten Eigenschaften können sich im Alltag scheinbar stufenlos verändern: die Geschwindigkeit auf dem Tacho, das Gewicht auf der Waage oder die Lautstärke eines Glockentons. In der Quantenwelt ist dies nicht so. Licht besteht aus winzigen Paketen und Elektronen springen im Atom von einer Bahn auf eine andere. Dass sich ein Elektron zwischen zwei Bahnen aufhält, verbieten die Gesetze der Quantenphysik.

Solche Quantensprünge prägen die Quantenwelt und beeinflussen, wie sich Quantenobjekte verändern und welche Zustände sie annehmen dürfen. Erstmals ist es nun einem Forschungsteam der Universität Stanford gelungen, auch in Schall einen Quantensprung zu beobachten: Statt sich langsam zu verstärken oder abzuschwächen, fiel die Energie der Schwingung in einem Resonator sprunghaft ab. Die Ergebnisse erschienen im renommierten Fachmagazin Science (siehe ct.de/yn7f).

Dass Elektronen im Atom von einer Bahn auf eine andere springen, postulierte bereits Niels Bohr in seinem Atommodell von 1913. Erst 1986 gelang der experimentelle Nachweis in Ionen, 2007 in Photonen, also einzelnen Lichtteilchen. Die leitenden Wissenschaftler David J. Wineland und Serge Haroche erhielten für ihre Experimente 2012 den Nobelpreis für Physik.

Verglichen mit Atomen und Licht sind Quantensprünge in Schall noch wenig erforscht. Aus physikalischer Sicht ist Schall eine Vibration, die sich in einem Medium ausbreitet. Töne entstehen aufgrund von Vibrationen und Druckwellen, die sich durch die Luft ausbreiten. Ganz allgemein bezeichnen Physiker beliebige mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium als Schall, etwa koordinierte Schwingungen in einer Ansammlung von Atomen.

Während Schall in der Alltagserfahrung kontinuierlich anschwillt oder ausklingt, wechseln Schwingungen in der Quantenwelt abrupt von einem energetischen Zustand in einen anderen. In Anlehnung an Photonen, die kleinsten Einheiten von Licht, heißen die Quanteneinheiten von Schall Phononen. In der Theorie ist dieses Verhalten schon lange bekannt. Bislang konnte aber noch kein Experiment Sprünge einzelner Phononen in Echtzeit registrieren.

Mikroskopische Stimmgabel

Für sein Experiment hat das Team um Amir Safavi-Naeini, Associate Professor für Angewandte Physik an der Stanford School of Humanities and Sciences, einen mechanischen Resonator genutzt.

Der Resonator schwingt nach einer Anregung wie eine mikroskopisch kleine Stimmgabel. Entscheidend für das aktuelle Experiment war die Dauer der Vibration: Die Schwingungen hielten bis zu 2 Millisekunden an. Würde man diese Eigenschaft auf eine Stimmgabel herkömmlicher Größe übertragen, würde der Ton mehrere Stunden anhalten. Anders als bei einer Stimmgabel erzeugt der mikroskopische Resonator jedoch keinen hörbaren Ton – gemeint ist hier lediglich die mechanische Schwingung im Festkörper.

Bitte nicht stören

Durch die lange Schwingungsdauer konnte das Team in einem einzelnen Experiment Hunderte Messungen vornehmen. Die große Herausforderung dabei war es, den Zustand des Quantensystems auszulesen, ohne ihn zu stören.

Dafür koppelten sie den Resonator an ein supraleitendes Qubit. Je nachdem, wie viele Phononen sich im Resonator befinden, ist die Energielücke zwischen den Zuständen 0 und 1 des Qubits größer oder kleiner. Dieser Abstand wird auch als Resonanzfrequenz des Qubits bezeichnet und jedes Phonon verschiebt diese um rund 328 Kilohertz. Statt die Phononen direkt zu messen und zu zerstören, detektierte das Team also die Resonanzfrequenz des Qubits und erhielt so eine Information darüber, in welchem energetischen Zustand die Phononen waren. Diese Art von Messung nennt sich zerstörungsfrei.

Für sein Experiment wählte das Team Zustände, in denen sich genau ein einzelnes Phonon im Resonator befindet. Diese konnte es mit einer Verlässlichkeit von 85 Prozent erzeugen. Das Qubit fragt den Zustand des Resonators kontinuierlich ab und registriert irgendwann eine Änderung. Der Resonator verliert sein Phonon und geht in den niedrigsten energetischen Zustand über: Es passiert ein Quantensprung.

Auf Basis von Schall

Dieses Ergebnis verbessert das fundamentale Verständnis von Quantensprüngen. Darüber hinaus eignet sich die Technik für diverse Anwendungen. „Die Ergebnisse dieser Studie werden es uns ermöglichen, die Entwicklung neuer Quantentechnologien auf der Grundlage von Schall voranzutreiben“, sagte Safavi-Naeini. „Wir haben festgestellt, dass schwingende Objekte Quantenverhalten zeigen können, was die Voraussetzung für viele der Vorgänge im Quantencomputing und der Quantensensorik sind.“ (spa@ct.de)

Publikation: ct.de/yn7f