Tiefgekühlte Quantentrommel

Aluminiummembran zeigt Übergang zwischen makroskopischen mechanischen Prozessen und Quantenwelt

Quantentrommel aus Aluminium
Quantentrommel aus Aluminium

Boulder (USA) - Eine der wohl kleinsten Trommeln der Welt besteht nur aus einer hauchdünnen Aluminiumschicht von etwa einer Billion Atomen. Die Schwingungen dieses Moduls dämpften Physiker nun bis auf ein Minimum ab. Tiefgekühlt fast bis an den absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius vibrierte die Metallmembran bis zu elf Millionen Mal pro Sekunde. Die Schwingungen waren dabei so klein, dass sie sich kaum noch messen ließen. Mit diesem Experiment stießen die Wissenschaftler über ein makroskopisches Modul in die Welt der Quantenphänomene vor. Als Anwendungen schweben ihnen Speicher für Quantencomputer oder extrem sensible Bewegungssensoren vor.

Die nur 100 Nanometer dicke und 15 Mikrometer große Quantentrommel fertigten John Teufel und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) mit lithografischen Methoden. Gelagert in einer supraleitenden Matrix, kühlten sie diese Metallmembran schrittweise ab. Um gequantelte Vibrationen mit gegen Null laufenden Amplituden zu erreichen, nutzten sie die Wechselwirkung mit Mikrowellen, die - vergleichbar einer Laserkühlung - Temperaturen von nur 400 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ermöglichten.

Zur Kontrolle und Analyse der Trommelschläge schickten die Forscher Mikrowellen mit einer Frequenz von 7,5 Gigahertz auf das Modul. Dabei beobachteten sie eine starke Kopplung der Mikrowellen-Photonen mit den mechanischen Schwingungsquanten, den sogenannten Phononen. Die Photonen zogen dabei Energie aus den Schwingungen ab, so dass deren Energie auf ein Drittel der minimalen Vibrationsenergie absank. Das lässt sich damit erklären, dass die Quantentrommel zwei Drittel der Zeit bewegungslos im Grundzustand verharrte und für das verbleibende Drittel die minimal mögliche Schwingung zeigte.

Da diese Schwingungszustände für einige Hundert Mikrosekunden stabil blieben, halten Teufel und Kollegen es für möglich, die Quantentrommel als Kurzzeitspeicher von Quanteninformationen zu nutzen. In weiteren Experimenten wollen sie die Metallmembran mit supraleitenden Quantenbits kombinieren, um diese Speichermöglichkeit für zukünftige Quantencomputer zu testen. Unabhängig davon könnten die hauchdünnen und tiefgekühlten Trommeln auch für hoch empfindliche Bewegungssensoren genutzt werden.

Bereits vor gut einem Jahr hatten kalifornische Forscher um Andrew Cleland von der University of California in Santa Barbara von einer ersten mechanischen Quantentrommel berichtet. Das NIST-Team verbesserte jedoch die Kühltechnik und erreichte eine deutlich geringere Vibrationsrate und damit potenziell 10.000 Mal längere Zeiten für einen Speicher von Quantenzuständen.