Forscher messen erstmals Quantensprung von Schall in Echtzeit

Physikern in Stanford ist erstmals die Echtzeit-Beobachtung eines Schall-Quantensprungs gelungen. Ein Spezialchip erfasste den Moment, in dem ein Phonon abrupt Energie verlor. Der Erfolg liefert wichtige Bausteine für zukünftige Quantencomputer.

Erster Blick auf Schall-Quantensprünge

Physikern der Stanford University ist es gelungen, erstmals einen Quantensprung von Schall in Echtzeit zu beobachten. Das Team erfasste den Moment, in dem eine winzige Vibrationseinheit, ein sogenanntes Phonon, von einem Energieniveau auf ein anderes abfiel. Die Messung fand in einem mikroskopischen Resonator statt, der auf einem Computerchip platziert wurde. Das liefert wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien.

Während ein Photon das kleinste unteilbare Element von Licht ist, beschreibt ein Phonon die koordinierte Bewegung einer großen Gruppe von Atomen. In der Alltagswelt klingt der Ton einer angeschlagenen Glocke stufenlos ab. Auf Quantenebene verliert ein Objekt seine Energie jedoch in diskreten Schritten. Um das sichtbar zu machen, kombinierten die Forscher einen winzigen Kristallstab aus Lithiumniobat mit einem supraleitenden Qubit, das als Detektor fungiert.

Komplexer Aufbau misst Phononen

Wie es in der in Science veröffentlichten Arbeit heißt, stellt die Kombination der Bauteile eine technische Herausforderung dar. Die Herstellungsprozesse für den Kristall und das Qubit würden sich normalerweise gegenseitig stören. Daher fertigten die Ingenieure beide Komponenten separat an und setzten den Kristall anschließend mit einem Abstand von 75 Nanometern über den Schaltkreis. Der Resonator schwingt für 2,1 Millisekunden.

Das Qubit prüft während dieser Zeit kontinuierlich, ob das Phonon vorhanden ist oder nicht. Ein einzelner Messvorgang dauert etwa zwölf Mikrosekunden. Durch Hunderte aufeinanderfolgende Abfragen konnten die Wissenschaftler den exakten Moment bestimmen, in dem der Energiezustand von eins auf null sprang. Ein gewöhnlicher Oszillator würde einen allmählichen Energieverlust anzeigen, doch das System registrierte einen abrupten Wechsel.

Vorteile und technische Hürden

Die Fähigkeit, solche Quantensprünge zu erkennen, biete laut den Wissenschaftlern konkrete Vorteile für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern. Das neue System meldet den Energieverlust, ohne die verbleibende Information vollständig zu löschen. Zudem eignet sich die Kombination aus Resonator und Qubit für hochpräzise Sensoren, die zukünftig Proteine in Zellen identifizieren könnten.

Neben den positiven Aspekten gibt es weiterhin technische Einschränkungen, da das Beobachten des Quantensystems nicht völlig verlustfrei ist. Jede Überprüfung durch das Qubit birgt ein Risiko von etwa 1,3 Prozent, die Energie des Phonons zu zerstören. Unter ständiger Beobachtung sinkt die Lebensdauer der Schwingung von 2,1 Millisekunden auf 649 Mikrosekunden. Zukünftige Entwicklungen müssen zeigen, ob sich das durch verbesserte Fertigungsprozesse optimieren lässt.

Was haltet ihr von dieser Entwicklung in der Quantenphysik? Seht ihr darin eher Chancen für neue Computer oder überwiegen für euch die technischen Hürden? Teilt eure Meinung in den Kommentaren!


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