Quantentrommel bis auf Grundzustand tiefgekühlt

Übergang zwischen makroskopischen, mechanischen Prozessen und Quantenwelt analysiert.

Eine der wohl kleinsten Trommeln überhaupt besteht aus einer hauchdünnen Schicht aus etwa einer Billion Aluminiumatomen. Die Schwingungen dieses Moduls dämpften nun amerikanische Physiker bis auf ein Minimum ab. Tiefgekühlt auf wenige Hundert Mikrokelvin vibrierte die Metallmembran bis zu elf Millionen Mal pro Sekunde mit einer kaum noch messbaren Amplitude. Mit diesem Experiment stießen die Wissenschaftler mit einem makroskopischen Modul in die Welt der Quantenphänomene vor. Als Anwendungen schweben ihnen Speicher für Quantencomputer oder extrem sensible Bewegungssensoren vor.

Abb.: Auf diesem kleinen Chip deponierten die NIST-Forscher ihre Quantentrommel, die sie bis fast zum Nullpunkt bei -273,14 Grad Celsius abkühlten. (Bild: Teufel/NIST)

"Unser Modul zeigt eine starke Kopplung und erlaubt den kohärenten Austausch von Mikrowellen-Photonen und mechanischen Phononen", berichten John Teufel und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (NIST). Ihre Quantentrommel – gefertigt mit lithografischen Methoden – ist 100 Nanometer dick und hat einen Durchmessern von 15 Mikrometern. Gelagert in einer supraleitenden Matrix kühlten sie diesen Resonator in einem ersten Schritt bis auf 20 Millikelvin ab. Um gequantelte Vibrationen mit gegen Null laufenden Amplituden zu erreichen, nutzten sie die Wechselwirkung mit Mikrowellen, die vergleichbar mit einer Laser-Kühlung Temperaturen von 400 Mikrokelvin ermöglichten.

Zur Kontrolle und Analyse der Trommelschläge schickten sie Mikrowellen mit einer Frequenz von 7,5 Gigahertz auf das Modul. Dabei beobachteten sie eine starke Kopplung der Mikrowellen-Photonen mit den mechanischen 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 im Grundzustand und für das verbleibende Drittel die minimal mögliche Schwingung zeigte.

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

Bereits vor gut einem Jahr berichteten kalifornische Forscher um Andrew Cleland von der University of California in Santa Barbara von einer ersten mechanischen Quantentrommel. 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.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. D. Teufel et al.: Sideband cooling of micromechanical motion to the quantum ground state, Nature, online 6. Juli 2011
  dx.doi.org/10.1038/nature10261
• National Institute of Standards and Technology, NIST

MH