Wissenschaftler am Stanford haben erstmals Töne eingefangen, die plötzlich Quantensprünge machen, eine Leistung, die eine neue Ära für Quantencomputer und Sensoren einleitet, die in der Lage sind, die schwächsten biologischen Signale zu erfassen. Die Arbeit wird in Science beschrieben.
Seit den frühen 1900er Jahren erklärt die Quantentheorie die plötzlichen Übergänge zwischen Energiezuständen, die als Quantensprünge bekannt sind. Forscher hatten diese erstmals 1986 bei gefangenen Ionen und später 2007 bei Photonen beobachtet. Bei Schall erwies sich das Fangen eines Quantensprungs jedoch als schwieriger.
Die Situation hat sich geändert. Der Physiker Amir Safavi-Naeini von Stanford führte das Team an, dessen neue Studie individuelle Phononen, die Quanteneinheit des Schalls, direkt verfolgte, während sie in Echtzeit zwischen Energiezuständen springen.
Das Phonon als Quanteneinheit
Das kleinste Teilchen des Lichts ist das Photon. Schall hat wiederum seine eigene kleinste Einheit, das Phonon, das die gemeinsame Bewegung vieler Atome beschreibt.
Alltags-Schall klingt allmählich aus, wie eine läutende Glocke, die leiser wird, bis das Geräusch vollständig verschwindet. Auf der Quantenebene ändert sich die Geschichte jedoch. Die Schwingungsenergie eines Resonators verschiebt sich in bestimmten Schritten und zeigt das gleiche Verhalten wie Ionen und Photonen.
Einige frühere Experimente deuteten darauf hin, dass Schall diese Übergänge durchlaufen könnte. Nun geht diese neue Studie noch weiter und beobachtet tatsächlich einzelne Phononen, die jeden der Sprünge direkt machen.
Ein mikroskopischer Resonator, der lange klingt
Der mechanische Resonator des Experiments wurde mit Chip-Fertigungsmethoden konstruiert. Aufgrund seiner geringen Abmessungen können mehrere dieser Resonatoren auf einem einzigen Chip platziert werden, um komplexe Funktionen zu bewältigen.
Die Länge der Zeit, die das Gerät weiterhin schwingte, war ein herausragendes Merkmal. Es funktioniert wie eine winzige Stimmgabel, die in der Lage ist, für zwei Millisekunden zu schwingen. Wenn eine Stimmgabel in Normalgröße mit derselben Ausdauer betrieben würde, würde sie mehrere Stunden lang klingen.
Die verlängerte „Nachklingzeit“ ermöglichte es den Forschern, Hunderte von Messungen zu sammeln, was wiederum die Möglichkeit bot, den Moment zu bestimmen, in dem die Vibration aufhörte und der Schall von einem Energiezustand von 1 auf 0 sprang.
Messen ohne den Zustand zu zerstören
Das Experiment widmete sich einer schwierigen Aufgabe auf dem Gebiet der Quantentechnik. Die Frage war, wie man beobachten kann, was innerhalb eines Quantensystems geschieht, ohne den empfindlichen Zustand, der gemessen wird, zu stören.
Takuma Makihara und Erik Szakiel, die gleichrangige Erstautoren der Studie waren, entdeckten eine Möglichkeit, den winzigen mechanischen Resonator mit einem supraleitenden Qubit zu paaren. Diese elektrische Schaltung ist in der Lage, Quanteninformation zu speichern und diente in dieser Anordnung als Detektor.
Makihara, ein kürzlicher Absolvent eines Doktortitels von Stanford, sagte: „Wir mussten ständig neue Prozesse entwickeln, um dieses extrem langlebige, vibrierende Objekt herzustellen und es dann mit dem Qubit zu integrieren, unserem kleinen elektrischen Detektor – ohne eines der beiden Subsysteme zu ruinieren.“
Während der zwei Millisekunden Vibration überprüft das Qubit kontinuierlich den mechanischen Resonator, um zu sehen, ob das Phonon in einem Energiezustand von 1 oder 0 sitzt. Durch wiederholte Messungen können die Forscher genau bestimmen, wann der Quantensprung stattfindet.
Von Quantenfehlerkorrektur bis zur Proteinerkennung
Die Forscher betrachten die Ergebnisse als einen anfänglichen, aber dennoch bedeutenden Schritt hin zu Technologien, die Schall selbst als Grundlage für Quantenarbeit betrachten.
Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, mit denen herkömmliche Maschinen nicht fertig werden, aber ihre Quantenzustände zerfallen leicht. Fehler können auftreten, bevor eine Berechnung abgeschlossen ist, was die Quantenfehlerkorrektur erforderlich macht.
Wenn ein Quantencomputer auf einen Fehler stößt, signalisiert ein Quantensprung oft das Problem. Das Aufspüren dieser Sprünge hat sich als schwierig erwiesen, weshalb die Fähigkeit, sie in Schall zu überwachen, nun eine wertvolle neue Möglichkeit bietet, Quantenfehler zu erkennen und zu beheben.
Das Paar aus mechanischem Resonator und Qubit könnte sich zu einer hochsensiblen Detektionsplattform entwickeln, und Safavi-Naeinis Gruppe arbeitet bereits mit dem Team des Physikers Michael Roukes am Caltech zusammen, um zu testen, ob das System Proteine innerhalb von Zellen erkennen und unterscheiden kann.
Bessere Kontrolle von Schall
Über spezialisierte Quantentechnologien hinaus könnte dieser Fortschritt letztendlich allgemeinere Anwendungen finden. Schall trägt große Bedeutung in Smartphones und anderen elektronischen Geräten, und eine immer genauere Steuerung von Vibrationen könnte bei neuen Generationen dieser Technologien helfen, so Szakiel, ein derzeitiger Doktorand im Labor von Safavi-Naeini.
„Dies zeigt, dass wir unglaublich fein abgestimmte Kontrolle über Schall haben können, was bedeuten könnte, dass Geräte, die Schall als grundlegende Technologie verwenden, deutlich besser werden können“, sagte er.
Stanford Q-FARM und Bio-X zählen Safavi-Naeini ebenfalls zu ihren Mitgliedern. Zu den zusätzlichen Mitautoren der Universität gehört David Schuster, der den Joan Reinhart Professor Stuhl innehat und als Professor für Angewandte Physik in H&S tätig ist. Shannon Harvey, eine Wissenschaftlerin von SLAC Nati, vervollständigt die Gruppe der Autoren von Stanford.
Diese Forschung stellt einen jüngsten Schritt nach vorn in der langen Geschichte der Quantenphysik dar, die auf mehr als ein Jahrhundert zurückblickt. Vor dem Schall hatten Wissenschaftler Quantensprünge bei gefangenen Ionen und Photonen beobachtet.
- Gefangene Ionen zeigten Quantensprünge im Jahr 1986.
- Photonen zeigten Sprünge im Jahr 2007.
- Nun ist Schall der Liste hinzugekommen.
Die Forschung fügt Schall der Liste hinzu, indem sie einzelne Sprünge direkt verfolgt.
Quellenmaterial: „Zum ersten Mal beobachten Wissenschaftler, wie Schall zwischen Quantenzuständen springt“, ScienceDaily.
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