Kühlung aus der Distanz
Zwei Quantensysteme regeln ihre Temperatur über kohärente Rückkopplung.
Forschende der Universität Basel können zwei Quantensysteme über eine Distanz von einem Meter zu einem Regelkreis verbinden. In diesem Regelkreis wird das eine Quantensystem – eine vibrierende Membran – durch das andere Quantensystem – eine Wolke von Atomen – gekühlt. Die beiden Systeme sind über Laserlicht miteinander gekoppelt. Derartige Schnittstellen, an denen Quantensysteme unterschiedlicher Natur auch über vergleichsweise große Distanzen interagieren, sind für zukünftige Quantentechnologien von großer Bedeutung.
Grundlage ist das Prinzip der Rückkopplung: Mithilfe eines Thermostaten an der Heizung regeln wir die Raumtemperatur. Der Thermostat misst die aktuelle Temperatur, gleicht diese mit einem Sollwert ab und regelt je nach Messwert den Durchfluss der Heizung. Solche Regelkreise begegnen uns in zahlreichen Bereichen des Alltags und der Technik. Auch in der Quantenwelt sind Regelkreise nützlich, um ein System in einen gewünschten Zustand zu bringen. Oft ist es beispielsweise erforderlich bei sehr tiefen Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts zu arbeiten, um die sensiblen Effekte der Quantenwelt beobachten und für neue technologische Anwendungen nutzen zu können. In der Welt der Quanten funktioniert die klassische Rückkopplung, bei der eine Messung innerhalb eines Regelkreises notwendig ist, jedoch nur eingeschränkt.
In Quantensystemen führt nämlich allein schon die Messung zu einer Veränderung des Systems und somit zu einer unkontrollierten Rückwirkung. Um ein Quantensystem zu kühlen, nutzen Forschende um Philipp Treutlein von der Universität Basel daher erstmals das Prinzip der kohärenten Rückkopplung. Dabei interagieren zwei Quantensysteme miteinander. Da eines der Systeme als Kontrolleinheit des anderen Systems fungiert, ist keine Messung erforderlich. Stattdessen wird das Kontrollsystem so eingestellt, dass es das Zielsystem durch quantenmechanisch kohärente Wechselwirkung in einen gewünschten Zustand bringt.
Ganz konkret haben die Forschenden mit Atomen als quantenmechanisches Kontrollsystem die Temperatur einer makroskopischen, aber sehr dünnen vibrierenden Membran gesteuert. Dazu wird zunächst der Eigendrehimpuls der Atome in einer wohldefinierten Richtung ausgerichtet, was einem sehr kalten Zustand nahe des absoluten Nullpunkts entspricht. Die Membran hingegen vibriert aufgrund ihrer hohen Temperatur stark. Durch quantenmechanische Wechselwirkung tauschen Atome und Membran ihre Zustände– die Membran wird kalt, ihre Energie wurde an die Atome übertragen. Diese können mit Laserlicht aber sehr schnell wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt und für eine erneute Energieübertragung von der Membran vorbereitet werden.
Mithilfe dieser kohärenten Rückkopplung ist es gelungen, innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde die Temperatur der oszillierenden Membran von Raumtemperatur auf 200 Millikelvin zu kühlen. „Aufgrund der Interaktion der beiden Systeme schieben wir die Membran in den kalten Zustand“, erklärt Doktorand Gian-Luca Schmid. „Faszinierend bei den Untersuchungen ist, dass wir ein makroskopisches mit einem atomaren Quantensystem über eine recht große Distanz koppeln und steuern können“, ergänzt Treutlein.
Die vergleichsweise große Distanz zwischen den beiden Quantensystemen ist eine wichtige Voraussetzung für mögliche Anwendungen in der Quantentechnologie. Sie führt aber auch dazu, dass es zu winzigen Verzögerungen kommt. Obwohl sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, macht sich die Verzögerung bei der Rückkopplung bemerkbar und das System wird instabiler. Als Folge wird die oszillierende Membran etwas weniger gekühlt als dies ohne Verzögerung theoretisch möglich wäre.
Die Forschenden untersuchen Phänomene wie diese an Quantenschnittstellen zwischen Atomen und Festkörpersystemen, da derartige Hybridsysteme in der zukünftigen Quantentechnologie eine wichtige Rolle spielen werden. Neuartige Sensoren und Quantennetzwerke sind mögliche Anwendungen. „Wir sind sicher, dass unsere Studie weitere praktische Untersuchungen zur kohärenten Rückkopplung von Quantensystemen auslösen wird“, so Treutlein.
U. Basel / JOL
