Quanten treffen Mechanik

Gleich in zwei Papern in Nature bzw. Nature Physics im Juni treffen sich Quantenwelt und mechanische Welt – auf unterschiedliche Arten.

Verschränkte Oszillatoren

Zunächst zu Nature 459 vom 4. Juni 2009, im Paper “Entangled mechanical oscillators” (hier bei arXiv) von Jost et al. aus Boulder, Colorado, wird ein bemerkenswertes Experiment beschrieben: Die Verschränkung eines Quantenzustandes wird auf zwei mechanisch schwingende Atome übertragen. Unter Verschränkung versteht man eines der besonderen Phänomene, die sich daraus ergeben, dass man in der Quantenwelt mit Wellenfunktionen arbeiten muss. Wenn man zwei Teilchen so aneinanderkettet, dass sie in einem gemeinsamen Quantenzustand sind, heißen sie verschränkt. Für diese Betrachtung hier z.B. ein Atom mit Spin up und eines mit Spin down. Daraus ergibt sich eine bemerkenswerte Konsequenz: Im verschränkten Zustand befinden sich die Teilchen in einem überlagerten Zustand, der gleichzeitig Spin up und down hat. Wenn man aber eines davon vermisst, dann kollabiert dessen Wellenfunktion und man kann seinen Spin feststellen. Aus Symmetriegründen MUSS dann das andere Teilchen den anderen Spin haben. Und wenn man die Teilchen verschränkt, an zwei Ecken der Milchstraße bringt und dann eines misst, dann wird gleichzeitig die Wellenfunktion des anderen kollabieren und den anderen Zustand annehmen.

So – jetzt haben wir von einem Quantenzustand geredet, dem Spin. Das neue Experiment hat jetzt untersucht, ob auch ein mechanisch schwingendes System derart verschränkt werden kann. Man stelle sich zwei Atome vor, die durch eine kleine Feder verbunden sind und gegeneinander schwingen. Auf dieser kleinen Skala sind dann auch nur bestimmte Energiewerte für die Schwingung erlaubt, sagen wir ein Grundzustand und ein angeregter Zustand, so wie Spin nach unten und Spin nach oben zwei Zustände eines Teilchens waren.

In einem Verfahren mit Laser- und Magnetfeldmagie ist es tatsächlich gelungen, das Schwingungssystem derart zu verschränken. Das heißt, der Schwingungszustand zweier solche Atomsysteme ist verschränkt und eine Überlagerung von Grund- und angeregtem Zustand. So sieht der Weg dahin aus (hab das aus einer Abbildung des Papers geklaut):

Zunächst muss man die Spin-Verschränkung erzeugen. Man hat zwei Magnesium-Atome und zwei Beryllium-Atome (jeweils als Ion) in einer Ionenfalle. Man verschränkt nun (1) die Be-Ionen in ihren Spinzuständen (eigentlich in ihrem Bahndrehimpuls, aber nun gut). Dann entfernt man die Paare Magnesium-Beryllium voneinander, damit sie sich nicht beeinflussen können (2). Dann muss man sie wieder abkühlen (3), weil sie durch die Bewegung etwas in Bewegung geraten sind. Schließlich beschießt man die Beryllium-Atome mit einem Laser so, dass der Spin-down Zustand nach oben umklappt (5 – wir ignorieren Zwischenzustand 4). Wir erinnern uns: Verschränkung heißt, dass jedes der Beryllium-Atome einen Mischzustand aus Spin up und down hat, also klappt quasi eine Hälfte seiner Existenz noch um – allerdings auf einer so geschickte Weise, dass gleichzeitig mit dem Umklappen auch die Oszillation, also die mechanische Schwingung, angeregt werden müsste. Danach ist der Spin auf jeden Fall oben beim Beryllium. Die Anregung der Schwingung erfolgte aber in einer Halbwelt – da ja nur die eine Komponente des Spin-Mischzustandes umgeklappt ist. Die Konsequenz: Die mechanische Schwingung befindet sich jetzt ebenfalls in der Halbwelt, in der sie gleichzeitig in zwei Anregungszuständen ist. Und noch mehr: Die Zustände beider Schwingungssysteme haben die Verschränkung übernommen!

Ja, die mechanische Schwingung ist noch eine quantenmechanische, aber die nichtlokale Verschränkung übernommen!

Eine nanomechanische Sonde in die Quantenwelt

In einer weiteren Veröffentlichung in Nature Physics (“Nanomechanical measurements of a superconducting qubit“) beschreiben die Forscher vom Caltech aus Pasadena in Kalifornien eine winzige Messvorrichtung, die den Zustand eines Qubit auslesen kann.

Ein Qubit ist das Grundelement eines Quantencomputers. Oder soll es werden. Dabei handelt es sich um ein Quantensystem, dessen Wellenfunktion in zwei Zustände 0 und 1 kollabieren kann, aber eben auch in einer Überlagerung der Zustände vorliegen kann. Die vorgestellte Technik bringt nun ein mechanisches System, eine winzige Brücke, nahe an ein solches Qubit, sodass es in Resonanz mit dem Qubit gerät.

Das Qubit ist dabei eine supraleitende “Cooper-Pair-Box”, in der sich entweder n oder n+1 Cooper-Paare aufhalten können. Wer mehr dazu erfahren will, sollte sich diesen Artikel bei Pro-Physik ansehen.

Das Bild von Junho Suh aus der Arbeit (und aus der Caltech-Pressemeldung) zeigt die Vorrichtung. In der Mitte des Bildes spannt sich der Nanoresonator, links davon ist das Qubit, und rechts nahe am Resonator eine Elektrode, die die Schwingung des Resonators misst.

Wenn man den Resonator in Schwingungen versetzt, ändert sich seine Resonanzfrequenz je nach dem Zustand in der Box – und darüber kann man den Zustand bestimmen.
Viel spannender für die Zukunft wäre es aber, den Spieß umzudrehen – wenn man mit dem Qubit den Resonator ausliest. Dann hätte man eine Chance, das quantenmechanische Verhalten zu bestimmen und ein mechanisches System – nicht nur zwei läppische Atome – bei einer Überlagerung von Schwingungszuständen zu ertappen.