SCHALL BEIM SPRINGEN ERTAPPT, EIN QUANT NACH DEM ANDEREN

Zupft man eine Gitarrensaite, verklingt der Ton sanft. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass die Energie jedes schwingenden Objekts in diskreten Paketen kommt – den Phononen, den Quanten des Schalls. Der Haken: Man kann sie nicht sehen, indem man die Bewegung des Objekts beobachtet. Eine Positionsmessung zeigt immer nur einen glatten exponentiellen Abfall, genau wie bei einem klassischen Oszillator.

Um die Pakete sichtbar zu machen, muss man die Energie selbst messen, und zwar ohne sie zu stören: eine sogenannte quantenmechanische Messung ohne Zerstörung (quantum non-demolition). Solche Sprünge zwischen Energieniveaus wurden zuerst an einzelnen gefangenen Ionen beobachtet, dann an Lichtteilchen, die in Resonatoren eingeschlossen waren. Einem Team der Stanford University und des SLAC unter Leitung von Amir Safavi-Naeini ist das nun für ein schwingendes Objekt gelungen.

Ein Kristall, der über einem Qubit schwebt

Das schwingende Objekt ist ein winziger Block aus Lithiumniobat, einem Kristall, der Schwingungen in elektrische Spannung umwandelt. Er sitzt in der Mitte eines strukturierten Balkens, dessen periodische Löcher als akustische Spiegel wirken und die Schwingung darin einschließen. Seine effektive Masse beträgt etwa 0,2 Pikogramm – ein Fünftel eines Billionstel Gramms.

Der Detektor ist ein supraleitendes Qubit, dieselbe Art von Schaltkreis, die in Quantencomputern verwendet wird. Beide Teile werden getrennt gefertigt, dann stempelt eine Präzisions-Bondmaschine den Kristall auf das Qubit, sodass der Block nur 75 Nanometer darüber schwebt.

Die Kopplung funktioniert so: Jedes Phonon im Block verschiebt die Frequenz des Qubits um 328 Kilohertz. Mit einer zeitlich genau abgestimmten kurzen Pulsfolge landet das Qubit in einem Zustand, wenn die Zahl der Phononen gerade ist, und im anderen, wenn sie ungerade ist. Da der Block in der Praxis höchstens ein Phonon enthält, läuft das auf eine einfache Frage hinaus: null oder eins? Jede Prüfung dauert etwa 12 Mikrosekunden.

Die Sprünge

Zunächst lernte das Team, ein einzelnes Phonon zu erkennen. Eine einzelne Prüfung liegt nur in etwa 68 % der Fälle richtig, also wird sie wiederholt: Nach sechs Antworten „ein Phonon“ in Folge enthält der Block mit 85 % Wahrscheinlichkeit genau ein Phonon.

Dann fragten die Forschenden immer weiter – 294-mal hintereinander. Schon die Rohantworten zeigen es mit bloßem Auge: eine lange Strecke mit überwiegend „eins“, dann ein abrupter Wechsel zu überwiegend „null“. Der Block verlor seine Energie nicht allmählich; er büßte sein einziges Phonon in einem Sprung ein, zu einem zufälligen Zeitpunkt, der sich von Durchlauf zu Durchlauf unterschied. Die Zeitpunkte dieser Sprünge folgen einem Exponentialgesetz, der Signatur eines spontanen, gedächtnislosen Prozesses.

Die Zahlen, die es möglich machen

Ein Phonon überlebt in diesem Block 2,1 Millisekunden, was die Autoren für diese Art von Resonator bei Gigahertz-Frequenzen als außergewöhnlich lang bezeichnen. Sie führen das auf zwei Entscheidungen zurück: Kein Metall berührt den Resonator, und seine Oberseite wird nie vom Ionenstrahl getroffen, mit dem er geätzt wird.
Das lässt Raum für etwa 170 Prüfungen innerhalb einer Phononlebensdauer.
Jede Prüfung lässt das Phonon in etwa 99 % der Fälle unversehrt. Die kleine Störung verkürzt die Lebensdauer des Phonons auf etwa 0,65 Millisekunden, solange es beobachtet wird.
Die kombinierte Gütezahl, Kooperativität genannt, übersteigt 3 Millionen, was die Autoren als zehnmal besser als bei anderen quantenakustischen Plattformen beschreiben.

Auf dem Weg zu Quantenbits aus Schall

Der nächste Schritt der Autoren ist ein „Dual-Rail“-Quantenbit aus zwei mechanischen Resonatoren, die sich ein Qubit teilen und bei dem der Verlust eines Phonons zu einem erkennbaren Fehler wird. Ihre Stempeltechnik erlaubt mehrere Resonatoren auf demselben Chip. Sie verweisen auch auf Sensoren: Ein so leichtes Objekt, das so lange schwingt, ist genau das, was man zum Wiegen eines einzelnen Moleküls braucht.

Vorerst hat die Messung noch Grenzen: Eine einzelne Prüfung ist alles andere als perfekt, und sie kann null Phononen nicht von zweien unterscheiden. Zwei der Autoren sind Amazon Scholars, und Amazon Web Services hat die Arbeit mitfinanziert.

Quantensprünge sind nun in Atomen, im Licht und, mit diesem Experiment, im Schall beobachtet worden.