Zwischen den Welten

College Park (USA) - Ort und Impuls eines Quantenobjekts lassen sich nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Heisenbergs Unschärferelation gilt allerdings nicht in unserer makroskopischen Alltagswelt. Doch wo verläuft die Grenze zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt? US-Forscher näherten sich nun mit einem - makroskopischen - Experiment diesem Grenzbereich. Als Testobjekt wählten sie einen nanomechanischen Oszillator, bei dem sie mit einem Ein-Elektronen-Transistor eine möglichst exakte Ortsbestimmung versuchten. Ihren Versuchsaufbau beschreiben sie in der Fachzeitschrift "Science".

"Wir haben die thermische Bewegung des Resonators bei Temperaturen von etwa 56 Millikelvin beobachtet", erklären Keith Schwab und seine Kollegen vom Laboratory of Physical Sciences an der University of Maryland. Mit einer Länge von rund einem hundertstel Millimeter entspricht dieser Resonator etwa der Masse von 10 ¹² Wasserstoffatomen und wäre damit das bisher größte Objekt, an dem eine Messung quantenmechanischer Bewegungen erfolgt. Schwab wählte konkret den Übergang der klassisch bestimmenden Brownschen Bewegung hin zur quantenmechanischen Nullpunktsschwingung, die eine direkte Konsequenz der Heisenbergschen Unschärfe darstellt.

Durch die Abkühlung nahe an den absoluten Nullpunkt heran, wollte Schwab die klassisch thermische Bewegung komplett einfrieren, so dass in dem filigranen Messaufbau die Nullpunktsschwingung die dominierende Größe wird. Mit Schwingungsfrequenzen von rund 20 Megahertz bei 56 Millikelvin reichten sie bis auf einen Faktor von 4,3 an das Quantenlimit heran. Obwohl sie damit die ersehnte Grenze, einen quantenmechanischen Effekt in einem makroskopischen Körper direkt zu messen, nicht ganz erreicht haben, sollte das mit einem optimierten Versuchsaufbau bald möglich sein. "Mit solchen Verbesserungen bezüglich der Kühlung und der Nachweisempfindlichkeit des Ein-Elektronen-Transistors sollte es zum ersten Mal möglich sein, das Quantenlimit für Bewegungen von mechanischen, makroskopischen Systemen zu bestimmen", bewertet Miles Blencowe, theoretischer Physiker am Dartmouth College im amerikanischen Hanover, diesen Ansatz.

So akademisch diese Versuche anmuten mögen, so können sie wichtige Informationen für konkrete Anwendungen liefern. "Die Auswirkungen dieses Experiments reichen von der Bestimmung der ultimativen Grenzen eines Kraftmikroskops bis hin zu Auslesemechanismen zukünftiger Qubits in einem Quantencomputer", so Schwab. Denn sobald man genau weiß, wie stark beispielsweise die Nullpunktsschwingung eine exakte Orts- und Impulsbestimmung eines makroskopischen Körpers beeinflusst, kennt man auch - erstmals experimentell bestimmt - die ultimativen Grenzen der möglichen Messgenauigkeit.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• "Approaching the Quantum Limit of a Nanomechanical Resonator", M.D. LaHaye et al., Science, Vol. 304, S. 74
• Laboratory of Physical Sciences an der University of Maryland: http://www.lps.umd.edu/
• Dartmouth College, Hannover: http://www.dartmouth.edu
• Heisenbergsche Unschärferelation: http://www.quantenwelt.de/quantenmechanik/wellenfunktion/unscharfe.html

Weiterführende Literatur:

• Landau et al., Z.Phys. Vol. 69, S. 56 (1931)
  W. Heisenberg, Z. Phys. Vol. 43, S. 172 (1927)
  V.B: Braginsky et al., Quantum Measurement, Cambridge Univ. Press, 1995