Eine Überbrückungseinrichtung zur Kopplung von Quantenschaltungen mit mechanischen Vorrichtungen
Die Optomechanik ist ein Zweig der Physik, in dem Mikrowellen die Position von mechanischen Resonatoren oder Oszillatoren auf Quantenebene erkennen und steuern. Das bedeutet, dass Forschende sowohl Quantenfluktuationen „hören“ als auch Quantenzustände programmieren können. „So erhalten wir die Möglichkeit, Neuland zu erforschen – die Quantenüberlagerung von ‚schweren‘ Objekten. Quantenüberlagerungen, bei denen verschiedene Quantenzustände kombiniert werden, sind für ‚leichte‘ Dinge wie Atome, Photonen oder einzelne Elektronen gut bekannt, aber für die schwereren Dinge der klassischen Physik waren sie bisher schwer zu fassen“, erklärt Gary Steele, Projektkoordinator des Projekts QOM3D, das vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert wurde. Das ‚umgedrehte‘ Membranchip-Design von QOM3D für einen Oszillator, der Gravitationseffekte erforschen kann, erreichte einen ultrahohen Gütefaktor von 60 Millionen. Das Team entwickelte außerdem neue Techniken zur Verwendung supraleitender Qubits (Quantenbits) zur Kühlung und Erzeugung von Hochfrequenz-Quantenzuständen.
Brownsche Bewegung
Laut Brownscher Wärmebewegung ist unsere Welt heiß. Folglich vibrieren alle Objekte, auch die mechanischen, da die Luftmoleküle ständig an ihnen abprallen. Diese Bewegungen können mit den empfindlichen Werkzeugen der Optomechanik nachgewiesen werden, selbst wenn das Zielobjekt auf 10 Milligrade über dem absoluten Null-Kelvin-Wert (-273,16 °C, 0 K) abgekühlt ist, was als ‚Grundzustand‘ bezeichnet wird. Nach der klassischen Physik hört die Brownsche Bewegung bei null Kelvin auf. Eine der spektakulärsten Vorhersagen der Quantenmechanik besteht jedoch darin, dass selbst hier die Dinge aufgrund des ‚Quantenrauschens‘ noch schwingen. Eines der Ziele von QOM3D war es, Beweise dafür zu finden.
Die Frequenzlücke überbrücken
Die Oszillatoren von QOM3D waren praktisch winzige vibrierende mechanische Trommeln, die aus einer straff gespannten Membran bestanden. Auf die Trommel wurde eine Metallschicht aufgetragen, dann wurde sie auf einen anderen Chip umgedreht. Dieser supraleitende LC-Schwingkreis ist in einem speziellen Gerät, einem so genannten Resonanzraum, untergebracht und kann sich mit den mechanischen Schwingungen der Trommel verbinden, so dass der Resonanzraum die vom LC-Schwingkreis ausgesandten Mikrowellensignale auffangen kann. Die Kopplung wird es den Forschenden ermöglichen, die Mikrowellensignale zu nutzen, um die Schwingungen der Trommel zu erkennen und schließlich auf Quantenebene zu kontrollieren. Für die Kontrolle von Quantenzuständen experimentierte QOM3D mit der supraleitenden Qubit-Technologie, die für die Quanteninformatik entwickelt wurde. „Unser radikales Design sah nicht wie gewöhnliche Qubits aus, aber wir erhielten spektakuläre Ergebnisse“, fügt Steele hinzu. Bevor ein mechanisches Gerät auf Quantenebene gesteuert werden kann, muss zunächst eine große Herausforderung bewältigt werden – ein Phänomen, das als ‚Frequenzlücke‘ bekannt ist. Da Qubits bei elektromagnetischen Gigahertz-Frequenzen (GHz) und die mechanische Trommel bei Megahertz-Funkfrequenzen (MHz) arbeiten, ist eine Überbrückung zwischen beiden erforderlich, um eine Kopplung zu erreichen. Das Team experimentierte mit der Kopplung von GHz-Qubits an elektrische Schaltkreise, die mit denselben MHz-Frequenzen arbeiten wie die Trommeln. Sie beobachteten Quantenfluktuationen bei MHz-Frequenzen und waren auch in der Lage, MHz-Signale auf ihren Quantengrundzustand abzukühlen und Quantenüberlagerungszustände in den MHz-Oszillationen zu programmieren, was die Existenz von Quantenrauschen beweist. „Die starke Kopplung der Qubits an die elektrischen MHz-Geräte in unserem Gerät als Konzeptnachweis ist vielversprechend für die zukünftige Verbindung von Quantenschaltungen und mechanischen Geräten“, so Steele. „Das ist spannend für eine Reihe von Anwendungen wie Kernspinresonanz oder Magnetresonanztomographie, oder für hypersensible Quantensensoren, die z. B. Quantengravitationsfelder messen könnten.“ Diese letztgenannte Möglichkeit würde den Weg ebnen, um ein grundlegendes Problem mit unserem derzeitigen Verständnis der Naturgesetze zu erforschen: die Unvereinbarkeit der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die die Schwerkraft beschreibt.
Schlüsselbegriffe
QOM3D, quantenmechanischer Resonator, Oszillator, Überlagerung, Gravitation, Chip, Brownsche Bewegung, Optomechanik, Mikrowelle
