Stanford-Physiker beobachten erstmals Quantensprung im Schall

Ein Team von Stanford-Physikern hat die erste direkte Beobachtung eines Quantensprungs im Schall dokumentiert. Sie erfassten den Moment, in dem eine einzelne Schwingungseinheit, ein sogenanntes Phonon, in einem chipgroßen Kristallstab von einem Energieniveau auf ein anderes abfiel. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse schließen eine Forschungsreihe ab, die mehr als ein Jahrhundert zurückreicht, und eröffnen neue Wege für das Quantencomputing und die Quantensensorik.science

Eine jahrhundertalte Vorhersage, endlich im Schall bestätigt

Quantensprünge, plötzliche, diskrete Übergänge zwischen Energiezuständen, wurden erstmals in den frühen 1900er Jahren theoretisch beschrieben. Wissenschaftler wiesen sie 1986 bei gefangenen Ionen und 2007 bei Photonen nach, doch der Schall blieb bislang unerreichbar. Das Stanford-Team unter der Leitung von Amir Safavi-Naeini, außerordentlicher Professor für angewandte Physik, baute einen mikroskopischen mechanischen Resonator aus Lithiumniobat-Kristall, der mit einem supraleitenden Qubit gekoppelt war. Dieses konnte den Energiezustand des Phonons innerhalb eines Zeitfensters von zwei Millisekunden hunderte Male überprüfen.humsci.stanford

„Die Ergebnisse dieser Studie werden es uns ermöglichen, neue Quantentechnologien mit Schall zu entwickeln“, sagte Safavi-Naeini. „Wir haben gesehen, dass schwingende Objekte Quantenverhalten zeigen können. Das ist die Voraussetzung für viele der Operationen, die für das Quantencomputing und die Quantensensorik benötigt werden.“humsci.stanford

Der Resonator schwingt etwa 2,1 Millisekunden lang. Das ist laut dem Team so ausdauernd, dass eine herkömmliche Stimmgabel mit derselben Eigenschaft stundenlang klingen würde. Die Co-Erstautoren Takuma Makihara und Erik Szakiel entwickelten ein Herstellungsverfahren, bei dem der Kristallstab nur 75 Nanometer über einem supraleitenden Schaltkreis platziert wird: nah genug, um den Phononenzustand auszulesen, ohne ihn zu zerstören. „Wir mussten ständig neue Prozesse entwickeln, um dieses extrem langlebige, schwingende Objekt herzustellen und es dann mit dem Qubit, unserem kleinen elektrischen Detektor, zu integrieren, ohne eines der beiden Subsysteme zu beschädigen“, so Makihara.earth+1

Von der Beobachtung zur Fehlerkorrektur

Die praktischen Auswirkungen sind unmittelbar spürbar. In vielen Quantencomputer-Architekturen stellt ein Quantensprung einen Fehler dar: Informationen gehen mitten in der Berechnung verloren. Zu erkennen, wann solche Fehler auftreten, war bislang ein hartnäckiges Hindernis in diesem Forschungsbereich. Das Stanford-Gerät erkennt nicht nur den Verlust, sondern lässt den verbleibenden Quantenzustand intakt, was eine Grundvoraussetzung für die Echtzeit-Fehlerkorrektur ist.earth+1

Das Team wendet die Plattform bereits über das Computing hinaus an. In Zusammenarbeit mit der Gruppe des Physikers Michael Roukes am Caltech nutzen die Forschenden den Resonator, um Proteine in Zellen aufzuspüren und zu identifizieren. „Dies zeigt, dass wir eine unglaublich präzise Kontrolle über den Schall haben. Das könnte bedeuten, dass Geräte, die Schall als grundlegende Technologie nutzen, viel besser werden können“, sagte Szakiel.humsci.stanford

Als Nächstes plant das Labor den Bau eines Geräts mit zwei Resonatorstäben auf einem gemeinsamen Qubit. Der Verlust eines Phonons in einem der beiden Stäbe würde dann als markierter Fehler registriert werden und nicht als unbemerktes Datenrauschen: ein Schritt näher an der Architektur, die für eine Fehlerkorrektur erforderlich ist.earth