Neue Hardware integriert mechanische Geräte in die Quantentechnologie

Forscher der Stanford University haben ein wichtiges experimentelles Gerät für zukünftige, auf Quantenphysik basierende Technologien entwickelt, das sich an aktuelle, alltägliche mechanische Geräte anlehnt.

Zuverlässige, kompakte, langlebige und effiziente akustische Geräte nutzen mechanische Bewegungen, um nützliche Aufgaben zu erfüllen. Ein Paradebeispiel für ein solches Gerät ist der mechanische Oszillator. Wenn sie durch eine Kraft – wie zum Beispiel Geräusche – verschoben werden, beginnen die Komponenten des Geräts, sich um ihre ursprüngliche Position hin und her zu bewegen. Das Erzeugen dieser periodischen Bewegung ist eine praktische Möglichkeit, die Zeit zu halten, Signale zu filtern und Bewegungen in allgegenwärtiger Elektronik, einschließlich Telefonen, Computern und Uhren, zu erfassen.

Forscher haben versucht, die Vorteile mechanischer Systeme in die extrem kleinen Maßstäbe des mysteriösen Quantenreichs zu bringen, wo Atome feinfühlig interagieren und sich auf kontraintuitive Weise verhalten. Zu diesem Zweck haben Stanford-Forscher unter der Leitung von Amir Safavi-Naeini neue Fähigkeiten demonstriert, indem sie winzige nanomechanische Oszillatoren mit einer Art Schaltung gekoppelt haben, die Energie in Form eines Qubits oder Quanten-„Bits“ von Informationen speichern und verarbeiten kann. Mit dem Qubit des Geräts können die Forscher den Quantenzustand mechanischer Oszillatoren manipulieren und die Art von quantenmechanischen Effekten erzeugen, die eines Tages fortschrittliche Computer- und ultrapräzise Sensorsysteme ermöglichen könnten.

„Mit diesem Gerät haben wir einen wichtigen nächsten Schritt bei dem Versuch gezeigt, Quantencomputer und andere nützliche Quantengeräte auf der Grundlage mechanischer Systeme zu bauen“, sagte Safavi-Naeini, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Angewandte Physik an der Stanford School of Humanities and Wissenschaften. Safavi-Naeini ist Seniorautor einer neuen Studie, die am 20. April in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Befunde beschreiben. „Wir wollen im Wesentlichen ‚mechanische quantenmechanische‘ Systeme bauen“, sagte er.

Quanteneffekte auf Computerchips bringen

Die gemeinsamen Erstautoren der Studie, Alex Wollack und Agnetta Cleland, beide Ph.D. Kandidaten in Stanford, leiteten die Bemühungen zur Entwicklung dieser neuen, auf Mechanik basierenden Quantenhardware. Unter Verwendung der Stanford Nano Shared Facilities auf dem Campus arbeiteten die Forscher in Reinräumen, während sie mit den körperbedeckenden weißen „Hasenanzügen“ ausgestattet waren, die in Halbleiterfertigungsanlagen getragen werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen die empfindlichen Materialien im Spiel kontaminieren.

Mit spezieller Ausrüstung stellten Wollack und Cleland Hardwarekomponenten mit Auflösungen im Nanometerbereich auf zwei Silizium-Computerchips her. Die Forscher klebten dann die beiden Chips so zusammen, dass die Komponenten auf dem unteren Chip denen auf der oberen Hälfte im Sandwich-Stil gegenüberstanden.

Auf dem unteren Chip gestalteten Wollack und Cleland einen supraleitenden Aluminiumschaltkreis, der das Qubit des Geräts bildet. Das Senden von Mikrowellenimpulsen in diesen Schaltkreis erzeugt Photonen (Lichtteilchen), die ein Informations-Qubit im Gerät kodieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Geräten, die Bits als Spannungen speichern, die entweder eine 0 oder eine 1 darstellen, können Qubits in quantenmechanischen Geräten auch gleichzeitig gewichtete Kombinationen von 0 und 1 darstellen. Dies liegt an dem als Superposition bekannten quantenmechanischen Phänomen, bei dem ein Quantensystem in mehreren Quantenzuständen gleichzeitig existiert, bis das System gemessen wird.

„Die Art und Weise, wie die Realität auf quantenmechanischer Ebene funktioniert, unterscheidet sich stark von unserer makroskopischen Erfahrung der Welt“, sagte Safavi-Naeini.

Der obere Chip enthält zwei nanomechanische Resonatoren, die aus schwebenden, brückenartigen Kristallstrukturen bestehen, die nur wenige zehn Nanometer – oder Milliardstel Meter – lang sind. Die Kristalle bestehen aus Lithiumniobat, einem piezoelektrischen Material. Materialien mit dieser Eigenschaft können eine elektrische Kraft in Bewegung umwandeln, was im Fall dieses Geräts bedeutet, dass das vom Qubit-Photon übertragene elektrische Feld in ein Quant (oder eine einzelne Einheit) von Schwingungsenergie umgewandelt wird, die als Phonon bezeichnet wird.

„Genauso wie Lichtwellen, die in Photonen quantisiert werden, werden Schallwellen in ‚Partikel‘, sogenannte Phononen, quantisiert“, sagte Cleland, „und durch die Kombination von Energie dieser verschiedenen Formen in unserem Gerät schaffen wir eine hybride Quantentechnologie, die die Vorteile nutzt von beiden.“

Die Erzeugung dieser Phononen ermöglichte es jedem nanomechanischen Oszillator, sich wie ein Register zu verhalten, das das kleinstmögliche Daten enthaltende Element in einem Computer ist, und das Qubit liefert die Daten. Wie das Qubit können sich dementsprechend auch die Oszillatoren in einem Überlagerungszustand befinden – sie können gleichzeitig sowohl angeregt (repräsentiert 1) als auch nicht angeregt (repräsentiert 0) sein. Die supraleitende Schaltung ermöglichte es den Forschern, die in den Registern gespeicherten Daten aufzubereiten, auszulesen und zu modifizieren, konzeptionell ähnlich wie herkömmliche (Nicht-Quanten-)Computer funktionieren.

„Der Traum ist es, ein Gerät herzustellen, das genauso funktioniert wie Silizium-Computerchips, zum Beispiel in Ihrem Telefon oder auf einem USB-Stick, wo Register Bits speichern“, sagte Safavi-Naeini. „Und obwohl wir Quantenbits noch nicht auf einem USB-Stick speichern können, zeigen wir dasselbe mit mechanischen Resonatoren.“

Verschränkung nutzen

Über die Überlagerung hinaus nutzte die Verbindung zwischen den Photonen und Resonatoren im Gerät ein weiteres wichtiges quantenmechanisches Phänomen namens Verschränkung. Was verschränkte Zustände so kontraintuitiv und auch notorisch schwierig im Labor zu erzeugen macht, ist, dass die Informationen über den Zustand des Systems auf eine Reihe von Komponenten verteilt sind. In diesen Systemen ist es möglich, alles über zwei Teilchen zusammen zu wissen, aber nichts über eines der einzeln beobachteten Teilchen. Stellen Sie sich zwei Münzen vor, die an zwei verschiedenen Stellen geworfen werden und bei denen beobachtet wird, dass sie zufällig mit gleicher Wahrscheinlichkeit als Kopf oder Zahl landen, aber wenn die Messungen an den verschiedenen Stellen verglichen werden, sind sie immer korreliert; Das heißt, wenn eine Münze als Zahl landet, landet die andere Münze garantiert als Kopf.

Die Manipulation mehrerer Qubits, alle in Überlagerung und verschränkt, ist der Doppelschlag, der die Berechnung und Erfassung in begehrten quantenbasierten Technologien antreibt. „Ohne Überlagerung und viel Verschränkung kann man keinen Quantencomputer bauen“, sagt Safavi-Naeini.

Um diese Quanteneffekte im Experiment zu demonstrieren, erzeugten die Stanford-Forscher ein einzelnes Qubit, das als Photon in der Schaltung auf dem unteren Chip gespeichert wurde. Die Schaltung durfte dann Energie mit einem der mechanischen Oszillatoren auf dem oberen Chip austauschen, bevor die verbleibenden Informationen an das zweite mechanische Gerät übertragen wurden. Durch den Energieaustausch auf diese Weise – zuerst mit einem mechanischen Oszillator und dann mit dem zweiten Oszillator – nutzten die Forscher die Schaltung als Werkzeug, um die beiden mechanischen Resonatoren quantenmechanisch miteinander zu verschränken.

„Hier kommt die Bizarrheit der Quantenmechanik voll zur Geltung“, sagt Wollack. „Klang kommt nicht nur in diskreten Einheiten, sondern ein einzelnes Klangpartikel kann zwischen den beiden verschränkten makroskopischen Objekten geteilt werden, von denen sich jedes mit Billionen von Atomen bewegt – oder sich nicht bewegt – gemeinsam.“

Um schließlich praktische Berechnungen durchführen zu können, müsste die Dauer der anhaltenden Verschränkung oder Kohärenz erheblich länger sein – in der Größenordnung von Sekunden statt der bisher erreichten Bruchteile von Sekunden. Überlagerung und Verschränkung sind beides sehr heikle Bedingungen, die sogar gegenüber geringfügigen Störungen in Form von Wärme oder anderer Energie anfällig sind, und verleihen dementsprechend vorgeschlagenen Quantensensorvorrichtungen eine außerordentliche Empfindlichkeit. Aber Safavi-Naeini und seine Co-Autoren glauben, dass längere Kohärenzzeiten leicht erreichbar sein können, indem die Herstellungsprozesse verfeinert und die beteiligten Materialien optimiert werden.

„Wir haben die Leistung unseres Systems in den letzten vier Jahren jedes Jahr um fast das Zehnfache verbessert“, sagte Safavi-Naeini. „In Zukunft werden wir weiterhin konkrete Schritte zur Entwicklung quantenmechanischer Geräte wie Computer und Sensoren unternehmen und die Vorteile mechanischer Systeme in den Quantenbereich bringen.“