US-Forscher der Stanford University messen erstmals Quantensprünge von Schall in Echtzeit

Forscher der Stanford University in den USA haben erstmals Quantensprünge von Schall in Echtzeit gemessen – ein Durchbruch, der der wissenschaftlichen Forschung neue Wege eröffnet und unmittelbar Anwendungen in der Quanteninformatik und Sensortechnik finden könnte. Quantensprünge sind abrupte Veränderungen des Energiezustands eines Quantensystems. Das Konzept der Quantensprünge existiert seit über hundert Jahren; der theoretische Physiker Niels Bohr schlug es erstmals im Jahr 1913 vor. Erst 1986 gelang es Wissenschaftlern, Quantensprünge in gefangenen Ionen zu beobachten, gefolgt von der Beobachtung in Photonen – den Grundbausteinen des Lichts – im Jahr 2007.

Erstmals Quantensprünge in Schall beobachtet

Fast zwei Jahrzehnte später hat ein Team um den Stanford-Physiker Amir Safavi-Naeini Quantensprünge in Phononen beobachtet, den grundlegenden Einheiten des Schalls. Zur Veranschaulichung ihrer Entdeckung führte Safavi-Naeini das Beispiel einer angeschlagenen Glocke an, deren Ton mit der Zeit allmählich schwächer wird und nicht augenblicklich verklingt. Auf der Quantenebene erfolge diese Abnahme jedoch in Sprüngen, und sein Team habe diese Sprünge in Echtzeit gemessen – eine beispiellose Leistung. Wie ist dies gelungen? Für die Messung bauten die Forscher einen mechanischen Resonator in der Größe eines Computerchips.

Die geringe Größe des Resonators erlaubt es, mehrere Einheiten auf einem einzigen Chip unterzubringen. Der Resonator funktioniert wie eine Stimmgabel und schwingt beim Anschlagen in Resonanz. Der von den Forschern entwickelte Resonator weist jedoch eine Resonanzdauer von nur zwei Millisekunden auf. Das klingt zwar äußerst kurz, entspricht aber im mikroskopischen Maßstab, in dem der Resonator arbeitet, dem Schwingen einer Stimmgabel über mehrere Stunden. Die lange Resonanz- beziehungsweise Abklingdauer dieses Resonators ermöglichte es den Forschern daher, Hunderte von Messwerten zu erfassen und präzise den Moment zu markieren, in dem die Schwingung von 1 auf 0 übergeht – den Quantensprung.

Herausforderungen und Lösungsansätze

Herausforderungen und Lösungsansätze Eine der größten Herausforderungen bei der Untersuchung von Quantensystemen besteht darin, Signale zu gewinnen, ohne den fragilen Zustand des Systems zu stören. Dem Stanford-Team gelang es, den Resonator mit einem supraleitenden Qubit zu koppeln, der als Detektor fungiert. Das gekoppelte Qubit erlaubte es den Forschern, den exakten Zeitpunkt eines Quantensprungs in Echtzeit zu erfassen. Abgesehen von der Echtzeiterfassung von Quantensprüngen bildet die Studie die Grundlage für zahlreiche künftige Quantenentwicklungen. So können in der Quanteninformatik fragile Quantenzustände zu Fehlern führen, bevor eine Berechnung abgeschlossen ist.

Diese Quantensprünge werden als Fehler betrachtet, doch ihren genauen Zeitpunkt zu bestimmen, war bisher schwierig. Dies könnte sich nun rasch ändern. Die Kopplung mikroskopischer Resonatoren mit Qubits eignet sich auch für hochpräzise Sensorik: Safavi-Naeini und sein Team kooperieren bereits mit Forschern des California Institute of Technology, um Proteine in Zellen zu detektieren und zu identifizieren. Da Schall für viele moderne Geräte wie Smartphones von zentraler Bedeutung ist, könnten sich auch in diesen Bereichen potenzielle Anwendungen ergeben. Safavi-Naeini erklärte in einer Pressemitteilung: „Wir haben gesehen, dass schwingende Objekte Quantenverhalten zeigen können – eine Voraussetzung für viele der Operationen, die für Quantencomputing und Sensorik erforderlich sind.

Was diese Studie zeigt, wird es uns ermöglichen, die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien und schallbezogener Anwendungen voranzutreiben.“ Die Forschungsergebnisse wurden im Fachblatt Science veröffentlicht.

Auswirkungen der Detektion von Quantensprüngen auf die Technologie

Die Detektion von Quantensprüngen in Schall ist ein bedeutender Durchbruch für die Quantentechnologie. Sie treibt nicht nur die Entwicklung des Quantencomputings voran, sondern könnte auch die Anwendungen in der Sensortechnik verändern. Dem Forschungsteam gelang es mithilfe eines neuartigen Resonatordesigns, den Zeitpunkt von Quantensprüngen in Echtzeit zu erfassen, ohne den Quantenzustand zu stören – ein entscheidender Fortschritt für künftige Anwendungen der Quantentechnologie. Mit dem weiteren Fortschritt der Quantentechnologie könnten zahlreiche schallbezogene Anwendungen entstehen, die die Grenzen der Technik immer weiter verschieben.