Mechanische Systeme als Vermittler zwischen Quantenwelten

18. Jänner 2016, 18:40
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Winzige Silizium-Balken eignen sich als Bindeglied zwischen Quantensystemen, zeigte ein österreichisch-niederländisches Physikerteam

Wien – Quantencomputer werden voraussichtlich verschiedene Quantensysteme nutzen – je nach Aufgaben das jeweils geeignetste. Dazu müssen diese unterschiedlichen Systeme vernetzt werden. Doch die Verständigung zwischen ihnen ist nicht einfach. Mechanische Systeme könnten als Bindeglied zwischen verschiedenen Quantenwelten fungieren, berichten nun Physiker aus Wien und Delft im Fachjournal "Nature".

Im Bereich Quanteninformationstechnologie wurden in den vergangenen Jahren verschiedenste kontrollierbare Quantensysteme realisiert, etwa in Festkörpern, in supraleitenden Schaltkreisen, mit Atomen oder Photonen. In einer zukünftigen Quantenarchitektur werden diese verschiedenen Welten voraussichtlich miteinander gekoppelt, doch bisher fehlt das Bindeglied zwischen ihnen.

Vielversprechend dafür sind nach Ansicht von Markus Aspelmeyer von der Universität Wien und dem Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) mechanische Systeme. Dabei handelt es sich um hundertstel bis tausendstel Millimeter große, extrem schnell schwingende Balken aus Silizium, die am ehesten mit einem Sprungbrett vergleichbar sind. "Mit diesen mechanischen Systemen können wir nicht nur extrem spannende, fundamentale Fragen in der Quantenphysik erforschen, sie sind auch technologisch sehr interessant", sagte Aspelmeyer.

Quanten-Interface

Man könne diese Strukturen im Prinzip relativ einfach funktionalisieren: "Da kann ich etwas Leitendes anbringen und auf einmal spricht mein mechanisches System mit einer Ladung, ich kann einen Magneten anbringen und es spricht mit einem Spin, oder ich bringe einen Spiegel an und es spricht mit Licht", so der Physiker. Die mechanischen Systeme würden sich daher gut als Interface eignen, das es ermöglicht, verschiedene Quantensysteme zu koppeln.

"Idealerweise will ich irgendeine Information auslesen, die in einem Quantensystem gespeichert ist, diese auf die Mechanik übertragen und dann mit Licht wieder auslesen, um die Information etwa über eine Glasfaser zu übertragen", so Aspelmeyer. Dass das tatsächlich geht, haben die Wiener Physiker gemeinsam mit einem Team um Simon Gröblacher von der Technischen Universität Delft (Niederlande) nun gezeigt.

Sie wandelten ein einzelnes Photon, also einen Quantenzustand des elektromagnetischen Feldes, in ein "Phonon" um, ein einzelnes Quant der mechanischen Bewegung. "Das ist eine einzelne elementare Anregung des Zustands der Bewegung des mechanischen Systems", so Aspelmeyer. Dieses "Phonon" steckt in den mechanischen Schwingungen von etwa zehn Milliarden Atomen des winzigen Silikon-Balkens, den Gröblacher und sein Team auf einem Chip gefertigt haben. Im selben Prozess wird ein weiteres Photon erzeugt, ein "Signal"-Photon, dessen Energie im Vergleich zum einfallenden Photon um die – wesentlich kleinere – Energie des Phonons reduziert ist.

Auslesung mit Laserlicht

So wie in zahlreichen Experimenten bereits Photon-Photon-Paare erzeugt werden, handelt es sich in diesem Experiment um ein Photon-Phonon-Paar, das laut Aspelmeyer ebenso wie die Photonenpaare verschränkt sein sollte. "Wir können es nur noch nicht nachweisen, das ist nicht so einfach", so der Physiker.

Mit Laserlicht kann die nun im mechanischen System steckende Information wieder ausgelesen werden: das "Phonon" wird in ein Photon umgewandelt, das die Information etwa über Glasfaser weitertransportieren kann. Für den Nachweis, dass in dem gesamten Übertragungsprozess tatsächlich einzelne Quanten übertragen werden, bedienten sich die Wissenschafter des Signal-Photons, das nur dann ausgesendet wird, wenn das Quell-Photon in ein "Phonon" umgewandelt wurde. Jedes Mal wenn ein solches Signal-Photon und am Ende des Übertragungsprozesses wieder ein Photon gezählt wird, weiß man, dass tatsächlich ein einzelner Quantenzustand übertragen wurde.

"Das ist das erste Mal, dass es gelungen ist, Licht zum Einschreiben und Auslesen von einzelnen Phononen zu verwenden", sagte Aspelmeyer. Dabei muss die Quelle nicht unbedingt Licht sein, die Information könnte auch von einem beliebigen anderen Quantensystem kommen, es muss nur das mechanische System entsprechend funktionalisiert werden. (APA, 18.1.2016)

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