Physiker haben quantenmechanische Sprünge in einem massiven mechanischen Objekt festgestellt
- Physiker haben zum ersten Mal quantenmechanische Sprünge in einem großen mechanischen Objekt aufgezeichnet.
- Das Experiment vereinte einen Phononkristall und einen supraleitenden Qubit
- Die Messungen wurden durch die Überprüfung der Parität der Anzahl der Phononen durchgeführt
- Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht
In einem kürzlichen Experiment konnte ein internationales Team von Physikern quantenmechanische Sprünge in einem massiven mechanischen Objekt festhalten, was die erste Bestätigung theoretischer Vorhersagen über diskrete Energieübergänge in makroskopischen Systemen darstellt.
Von der Theorie zur Praxis
Das Konzept des quantenmechanischen Sprungs entstand bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts, als Wissenschaftler erkannten, dass mikroskopische Teilchen zwischen Energieebenen ohne Zwischenzustände wechseln können. Bis vor kurzem wurden solche Phänomene nur in Atomen, Ionen und einzelnen Quantenbits beobachtet, jedoch blieb ihr Auftreten in größeren Objekten unerreichbar.
Um eine geeignete Plattform zu schaffen, verwendeten die Forscher einen Phononkristall – eine künstlich konstruierte Struktur, die in der Lage ist, akustische Schwingungen (Phononen) auf nanometrischer Ebene zu lenken und zu kontrollieren. Dieses Gitter gewährte eine hohe Isolation des mechanischen Resonanzteils von externen Geräuschen.
Ein Schlüsselelement des Experiments war der supraleitende Qubit, der bei Temperaturen unter 20 mK arbeitet. Der Qubit wurde direkt mit dem Phononkristall integriert, was die Übertragung des quantenmechanischen Zustands zwischen elektrischen und mechanischen Subsystemen ermöglichte.
Messmethode
Zur Registrierung der Übergänge verwendeten die Wissenschaftler die Überprüfung der Parität der Phononen – eine besondere Methode, die es ermöglicht, zu bestimmen, ob sich eine gerade oder ungerade Anzahl von Quanten der Vibration im System befindet, ohne sie direkt zu messen. Mit Hilfe des Qubits wurde eine Reihe schneller Messungen durchgeführt, nach denen die erhaltenen Daten scharfe Änderungen der Parität zeigten, die den quantenmechanischen Sprüngen entsprachen.
Die empfangenen Signale zeigen, dass der mechanische Resonator zwischen diskreten Energielevels wechselt, ähnlich wie es in atomaren Systemen der Fall ist. Diese Übergänge wurden in Echtzeit beobachtet, was die Möglichkeit der Kontrolle makroskopischer quantenmechanischer Zustände bestätigt.
Der Erfolg des Experiments eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung hybrider quantenmechanischer Geräte, bei denen mechanische Elemente als langlebige Quanten-Speicher oder Signalumwandler zwischen verschiedenen Arten von quantenmechanischen Systemen dienen können.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der führenden wissenschaftlichen Zeitschrift Science veröffentlicht, wo sie in der Physikgemeinschaft breite Anerkennung fanden. Die Autoren planen, die Empfindlichkeit der Messungen weiter zu verbessern und den Umfang des Experiments zu erweitern, was zu einer praktischen Nutzung quantenmechanischer Sprünge in den Technologien der Zukunft führen könnte.
Quelle: N+1
