Quanten im Blitzlicht

Eine der faszinierendsten und noch immer offenen Fragen der modernen Physik ist, inwieweit Quantenphänomene an Objekten unserer Alltagswelt beobachtbar sind. Um dies zu beantworten, werden Quantenexperimente an immer größeren und schwereren Objekten durchgeführt. Und da bedarf es einiger Tricks, denn je größer und schwerer die im Experiment verwendeten Objekte sind, umso schwieriger wird es, Quanteneffekte sichtbar zu machen.

Der Lichtblitz als "Scharfzeichner"

Die von den Forschern präsentierte Methode der "gepulsten Quanten-Optomechanik" verwendet Lichtpulse, ähnlich einem Blitzlicht, die für Quantenmessungen an großen Objekten eine bislang unerreichte Genauigkeit ermöglichen. Die Funktionsweise des neuen Schemas beruht darauf, dass sich Quantenobjekte, im Widerspruch zu den Gesetzen der klassischen Physik, unter Beobachtung anders verhalten als im unbeobachteten Zustand. "Derzeit werden Objekte in solchen Experimenten kontinuierlich beobachtet. Dadurch werden allerdings die meisten Quantenphänomene verwaschen, ähnlich wie bei einem verschwommenen Foto einer schnellen Bewegung", sagt Michael Vanner, Erstautor der Studie und Mitglied des Wiener Doktoratskollegs Complex Quantum Systems (CoQuS). "Die Lichtpulse frieren die Bewegung sozusagen ein und erzeugen dadurch ein gestochen scharfes Bild des Quantenverhaltens."

Wie groß können "Quanten" sein?

Mit der gepulsten Quanten-Optomechanik kann ein gänzlich neuer Blick in die Quantenwelt von Objekten geworfen werden, die größer und schwerer als die bisher untersuchten Objekte sind. Insbesondere kann diese Methode unmittelbar in laufenden Experimenten angewandt werden. Konkret untersuchen die Forscher Experimente, die Quantenphänomene in mikro-mechanischen Resonatoren, d.h. in vibrierenden, massiven Objekten beobachten wollen. "Indem man die Bewegung der Objekte unter die 'gepulste' Lupe nimmt, kann man beispielsweise  herausfinden, ob makroskopische, mechanische Objekte in künftigen Quanten-Technologien eingesetzt werden können. Dies wird außerdem dazu beitragen, ein neues Licht auf die in der Natur scheinbar auftretende Trennung zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt zu werfen", meint Michael Vanner.

Internationale Kooperation

Diese Arbeit ist unter der gemeinsamen Beteiligung von Forschern des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) der Universität Wien, Imperial College London, des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), des Albert-Einstein Instituts der Universität Hannover und der Universität Queensland entstanden. Das Projekt wurde unterstützt von: Australian Research Council, Engineering and Physical Sciences Research Council, European Research Council, Europäische Kommission, Foundational Questions Institute, Österreichischer Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und Österreichische Akademie der Wissenschaften. (vs)

Das Paper "Pulsed quantum optomechanics" (M. R. Vanner, I. Pikovski, G. D. Cole, M. S. Kim, Č. Brukner, K. Hammerer, G. J. Milburn, and M. Aspelmeyer) erschien im Journal "Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)".