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Quantenakustik: Wie man Schall-Teilchen zählt

Auch Schwingungen bestehen aus Quanten - nun wurden diese Phononen erstmals gezählt.
Mysteriöse Geräusche aus der Tiefsee (Symbolbild)Laden...

Nicht nur Licht, sondern auch Schall ist quantisiert – und nun ist es Fachleuten gelungen, diese als Phononen bezeichneten Schall-Quanten zu zählen. Wie eine Arbeitsgruppe um Amir H. Safavi-Naeini von der Stanford University berichtet, koppelte sie dazu ein einzelnes Quanten-Bit mit einem nur nanometergroßen schwingenden Körper. Der entscheidende Trick sei, schreibt das Team in »Nature«, dass die Kopplung zwischen den beiden Komponenten so stark ist, dass das Qubit die Schwingungsquanten nicht mehr selbst absorbieren muss. Um seine messbaren Eigenschaften zu verändern, reiche allein ihre Gegenwart im schwingenden Körper aus. Diese als dispersive Messung bezeichnete Technik macht es jetzt möglich, den schwingenden Körper nach und nach mit Energie zu füttern – und dabei zu beobachten, wie mit jedem neuen Energielevel ein weiteres Phonon hinzukommt.

Dass auch Schallwellen quantisiert vorliegen, ist lange bekannt. Doch anders als bei den Photonen des Lichts, die man heute einzeln messen und manipulieren kann, ist die Quantentechnik der Phononen noch in den ersten Anfängen. Der Ansatz von Safavi-Naeini und seinem Team orientiert sich deswegen auch an bekannten Verfahren der Quantenoptik, bei denen man einzelne Atome verwendet, um Lichtquanten zu detektieren. Als Ersatzatom dient dabei ein Transmon-Qubit, das aus einem supraleitenden Schaltkreis besteht, der bei Mikrowellenfrequenzen schwingt. Dessen Frequenz verschiebt sich, sobald in der zweiten Komponente, dem mechanischen Schwingelement, Vibrationen angeregt werden. Wenn diese Vibrationen stärker werden, verschiebt sich die Frequenz des Qubits aber nicht gleichmäßig, wie die klassische Beschreibung des Systems vorhersagt. Vielmehr treten nach und nach neue Frequenzen auf – jede entspricht einem einzelnen Phonon.

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