Schall verklingt normalerweise allmählich in der Stille. Auf der Quantenskala haben Wissenschaftler von Stanford nun beobachtet, wie er Schritt für Schritt verschwindet.
Forscher beobachteten erstmals direkt in Echtzeit, wie ein einzelnes Phonon, die Quanteneinheit des Schalls, mithilfe eines mikroskopischen mechanischen Resonators in Verbindung mit einem supraleitenden Qubit zwischen Energiezuständen springt. Das Experiment gibt Physikern eine Möglichkeit, genau zu verfolgen, wann sich ein mechanischer Quantenzustand verändert – eine Fähigkeit, die Forschern letztlich helfen könnte, Fehler in Quantencomputern zu erkennen und extrem empfindliche Sensoren zu bauen.
Die Erkenntnis verwandelt zudem eine hundert Jahre alte quantenphysikalische Vorhersage in etwas, dessen Ablauf Forscher beobachten können.
Wie Stanford einen Quantensprung von Schall einfing
Quantensprünge sind abrupte Übergänge zwischen diskreten Energieniveaus. Wissenschaftler wiesen sie 1986 in gefangenen Ionen und 2007 in Photonen nach, doch ein einzelnes Phonon direkt bei einem solchen Sprung zu verfolgen, blieb bislang außerhalb des Machbaren.
Das Team von Stanford unter der Leitung des Professors für angewandte Physik Amir Safavi-Naeini berichtete in Science über die erste direkte Beobachtung in Echtzeit. Anders als ein Photon steht ein Phonon für eine koordinierte Bewegung vieler Atome und erweitert damit die Beobachtung von Quantensprüngen in Echtzeit auf ein mechanisches System.
Das Experiment stützte sich auf drei zentrale Elemente:
- Ein mechanischer Resonator im Chipmaßstab: Forscher fertigten einen mikroskopischen Resonator, der etwa zwei Millisekunden lang schwingen konnte.
- Hunderte Messungen: Die ungewöhnlich lange „Ausklingzeit“ ermöglichte es dem Team, genau zu bestimmen, wann die Schwingungsenergie des Resonators von Zustand 1 auf Zustand 0 abfiel.
- Ein supraleitendes Qubit: Die gleichrangigen Erstautoren Takuma Makihara und Erik Szakiel verbanden den Resonator mit einem Qubit, das wiederholt überprüfte, ob das Phonon noch vorhanden war, ohne das System zu stören.
„Wir haben gesehen, dass schwingende Objekte Quantenverhalten zeigen können, was eine Voraussetzung für viele der von Quantencomputing und Sensorik benötigten Operationen ist“, sagte Safavi-Naeini laut Stanford.
Was eWeek herausgefunden hat: Kontrolle ist der größere Durchbruch
Das Experiment ist nicht der erste Beleg dafür, dass Schall quantenmechanisches Verhalten zeigen kann.
Interesting Engineering wies darauf hin, dass frühere Studien bereits auf Quantensprünge von Phononen hingedeutet hatten. Der Fortschritt von Stanford besteht in der Fähigkeit, ein mechanisches Quantensystem genau genug zu überwachen, um den exakten Moment zu bestimmen, in dem eine einzelne Anregung verschwindet.
Auch Stanford achtet darauf, die Bedeutung des Experiments für kurzfristige Anwendungen nicht zu übertreiben. Die Universität bezeichnete die Arbeit als einen „grundlegenden ersten Schritt“, wobei Quantencomputing und Sensorik weiterhin zukünftige Möglichkeiten und keine fertigen Technologien darstellen.
Bereich | Was das Experiment gezeigt hat | Was noch bevorsteht |
| Quantensprünge | Forscher verfolgten in Echtzeit, wie sich die Energie eines Phonons von Zustand 1 auf Zustand 0 veränderte. | Die Anwendung der Technik auf komplexere Quantenoperationen. |
| Fehlerkorrektur | Das System kann erkennen, wann eine Veränderung des Quantenzustands eintritt. | Die Studie demonstrierte nicht die Fehlerkorrektur selbst. |
| Quantensensorik | Die Resonator-Qubit-Plattform ermöglicht hochpräzise mechanische Messungen. | Anwendungen wie die Identifizierung von Proteinen in Zellen werden noch erforscht. |
| Skalierung | Der Resonator kann mithilfe von Techniken aus der Chipfertigung hergestellt werden, und mehrere Einheiten könnten auf einen einzigen Chip passen. | Die Forscher haben weder ein großflächiges Array noch einen kommerziellen Prozessor demonstriert. |
Die Quantenfehlerkorrektur ist einer der klarsten längerfristigen Wege.
Phys.org wies darauf hin, dass ein unerwünschter Quantensprung in vielen Architekturen einen Fehler darstellen kann. Genau zu wissen, wann einer auftritt, könnte Forschern helfen, Fehler zu erkennen und letztlich zu korrigieren, bevor eine Berechnung verloren geht.
Quantenschall könnte über das Computing hinausgehen
Dieselbe Plattform könnte als hochempfindlicher Sensor dienen. Die Gruppe von Safavi-Naeini arbeitet bereits mit Forschern von Caltech daran, die Technologie einzusetzen um Proteine innerhalb von Zellen zu erkennen und zu identifizieren.
Wissenschaftler von Stanford erklärten, derselbe Ansatz könnte Geräte verbessern die auf akustischen Komponenten basieren, darunter Smartphones. Jede praktische Nutzung in Endgeräten befindet sich weiterhin im Forschungsstadium.
Vorerst ist die wichtigere Errungenschaft die Sichtbarkeit und Kontrolle: Forscher können beobachten, wie sich ein mechanischer Quantenzustand im Moment der Veränderung wandelt, statt den Übergang erst im Nachhinein abzuleiten. Diese Fähigkeit in praktische Fehlerkorrektur, skalierbare Prozessoren oder nützliche Sensoren zu verwandeln, ist die nächste Herausforderung.
Einen weiteren Ansatz zur Beschleunigung des Quantencomputings finden Sie in der Frage, wie eine neue Methode für Quantengatter 1.000-mal schnellere Operationen für bosonische Codes verspricht.