Laserstrahlen bremsen Quantenschwingungen winziger Hebel

Nanomechanische Konstrukte legen Basis für neue Sensoren, hochempfindliche Waagen und robuste Schaltkreise für Quantencomputer.

Pasadena (USA)/Wien (Österreich) - Aus der Sicht von Quantenphysikern sind zehn Millionstel Meter lange Siliziumhebel gigantisch groß. Dennoch schaffte es nun eine internationale Forschergruppe, die Schwingungen dieser Konstrukte bis auf einen quantenmechanischen Grundzustand abzubremsen. Sie nutzten dazu genau abgestimmtes Laserlicht und schlugen damit eine Brücke zwischen der Quantenwelt und größeren Objekten, die eigentlich den Gesetzen der klassischen Physik folgen müssten. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nature" berichten, könnten auf der Grundlage ihrer Versuche hoch empfindliche Sensoren oder gar mechanische Schaltkreise für Quantencomputer entwickelt werden.

Oskar Painter vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen von der Universität Wien fertigten ihren winzigen Schwingungshebel aus einem flachen Stück Silizium. Mit den gleichen Methoden, die für die Produktion von Computerchips genutzt werden, bohrten sie eine Reihe kleiner Löcher in den Hebel. An genau diesen Stellen trafen infrarote Laserpulse auf. Exakt auf die Resonanzfrequenz der Hebelschwingungen abgestimmt, konnten die Lichtteilchen etwas Energie aufnehmen und damit den Hebel quasi leicht abkühlen. Die Hebelschwingungen wurden so abgebremst und erreichten schließlich ihr absolutes Minimum, den quantenmechanischen Grundzustand.

Möglich sind solche Experimente allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen von etwa minus 250 Grad Celsius. Trotz dieses Aufwands könnten nun die winzigen Siliziumhebel für eine Vielzahl von Anwendungen taugen. So sind extrem empfindliche Waagen - beispielsweise für einzelne Viren - aber auch Schaltmodule für zukünftige Quantencomputer vorstellbar. Spannend findet Florian Marquardt, Physiker an der Universität Erlangen, die geschickte Kopplung von mechanischen Schwingungen und Laserlicht. "Licht könnte dazu genutzt werden, um eine Verschränkung zwischen mechanischen und räumlich getrennten Objekten zu erreichen", sagt Marquardt. Mit dieser Eigenschaft wäre ein weiterer Schritt hin zur Verwirklichung extrem leistungsfähiger Quantencomputer getan.