Schallende Quanten

Die Quantenphysik ist dabei, einen neuen technologischen Entwicklungs­schub auszulösen: Neuartige Sensoren, sichere Daten­übertragungs­methoden und neu­artige Computer sollen durch Quanten-Technologien möglich werden. Das entscheidende Problem daran ist allerdings, ausreichend viele Quanten­systeme (etwa einzelne Atome) auf die richtige Weise mit­einander zu koppeln und präzise anzusteuern.

Ein Forschungsteam der TU Wien und der Harvard University hat nun einen neuen Weg untersucht, die nötigen Quanten­information zu übertragen: Sie schlagen vor, winzige mechanische Schwingungen einzu­setzen. Die Atome werden dabei durch Phononen mit­einander gekoppelt – die kleinsten quanten­physikalischen Einheiten von Schwingungen oder Schallwellen.

„Wir untersuchen winzige Diamanten mit eingebauten Silizium­atomen – diese Quanten­systeme gelten als besonders erfolg­versprechend“, sagt Peter Rabl vom Atom­institut der TU Wien. „Normaler­weise bestehen die Diamanten aus reinem Kohlen­stoff, doch wenn man an bestimmten Stellen Silizium­atome einbaut, ergeben sich Fehler im Kristall­gitter, an denen man Quanten­information speichern kann.“ Die mikro­skopischen Fehler im Diamant­gitter lassen sich wie ein winziger Schalter verwenden und mit Hilfe von Mikro­wellen zwischen einem Zustand höherer Energie und einem Zustand niedrigerer Energie hin und her schalten.

Gemeinsam mit einem Team der Universität Harvard entwickelte Peter Rabls Forschungs­gruppe nun eine neue Idee, diese Quanten­speicher im Diamant kontrolliert mit­einander zu koppeln: Man kann sie der Reihe nach, wie Perlen einer Perlen­kette, in ein winziges Diamant-Stäbchen einbauen, mit einer Länge im Mikro­meter­bereich. Ähnlich wie eine Stimm­gabel kann ein solches Stäbchen dann zum Schwingen angeregt werden. Und mit diesen Schwingungen lassen sich die Silizium­atome quanten­physikalisch koppeln.

„Licht besteht aus Photonen, den Quanten des Lichts. Und genauso lassen sich auch mechanische Schwingungen oder Schall­wellen quanten­physikalisch beschreiben: Sie bestehen aus den sogenannten Phononen, den kleinst­möglichen Einheiten von mechanischen Schwingungen“, erklärt Peter Rabl. Sich die Wie das Forschungs­team nun mit Hilfe von Simulations­rechnungen zeigen konnte, lassen sich mit Hilfe dieser Phononen beliebige Quanten-Speicher im Diamant­stäbchen mit­einander verbinden. Dazu werden die einzelnen Silizium­atome durch Mikro­wellen „ein- und ausgeschaltet“. Sie geben dabei Phononen ab oder nehmen Phononen auf. Damit kann man eine Quanten-Verschränkung unter­schiedlicher Silizium-Fehl­stellen erzeugen und Quanten­information übertragen.

Bisher war völlig unklar gewesen, ob so etwas möglich ist: „Gewöhnlich erwartet man, dass die Phononen irgendwo absorbiert werden, oder in Kontakt mit der Umgebung geraten und dadurch ihre quanten­physikalischen Eigenschaften verlieren“, sagt Peter Rabl. „Phononen sind sozusagen der Feind der Quanten­information. Wir konnten aber durch unsere Rechnungen nun zeigen, dass mit Hilfe einer passenden Steuerung durch Mikro­wellen die Phononen tatsächlich technisch nutzbar sind.“

Ein großer Vorteil der neuen Technologie liegt in ihrer Skalier­barkeit: „Es gibt viele Ideen für Quanten­systeme, die sich prinzipiell technologisch nutzen lassen. Das große Problem daran ist, dass es sehr schwierig ist, ausreichend von ihnen zu vernetzen, um etwa komplizierte Rechen­operationen mit ihnen durch­führen zu können“, sagt Rabl. Die neue Strategie, Phononen dafür einzusetzen, könnte einen völlig neuen Weg zu einer skalier­baren Quanten­technologie ebnen.

TU Wien / DE