"Good Vibrations" zwischen Quantenwelten

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.

Irrwitzig schnell

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, irrwitzig schnell schwingende Balken aus Silizium, die am ehesten mit einem Sprungbrett im Schwimmbad 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.

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.

Vom Photon zum Phonon

"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 wandeln 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 hat. 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.

Nachweis der Verschränkung schwierig

So wie in zahlreichen quantenphysikalischen 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. Die Grundidee für diese Methode zur Übertragung von Quanteninformation über lange Distanzen stammt aus der Innsbrucker Quanten-Ideenschmiede um Peter Zoller und Ignacio Cirac.

Welle-Teilchen-Dualität

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.

Ralf Riedinger aus Aspelmeyers Gruppe verweist auf einen weiteren Aspekt der Arbeit abseits des technologischen Potenzials: Die Vibrationen des mechanischen Systems werden üblicherweise als Wellen angesehen, so wie die Schwingungen einer Stimmgabel Schallwellen erzeugen. "Unsere Messungen beweisen aber klar, dass sich die mechanischen Schwingungen unseres Systems wie ein Teilchen verhalten. Wir haben hier eine Welle-Teilchen-Dualität, erzeugt mit einer Mikro-Stimmgabel", so Riedinger. (APA)

Die Publikation "Non-classical correlations between single photons and phonons from a mechanical oscillator" (Autoren: Ralf Riedinger, Sungkun Hong, Richard A. Norte, Joshua A. Slater, Juying Shang,    Alexander G. Krause, Vikas Anant, Markus Aspelmeyer und Simon Gröblacher) erschien am 18. Jänner im Fachmagazin Nature.