Schonung mechanischer Quantensysteme

Wenn man an quantenmechanische Systeme denkt, kommen einem vielleicht einzelne Photonen und gut isolierte Ionen und Atome in den Sinn oder Elektronen, die sich durch einen Kristall ausbreiten. Exotischer im Kontext der Quantenmechanik sind genuin mechanische Quantensysteme; das heißt, massive Objekte, in denen mechanische Bewegung wie Vibration quantisiert ist. In einer Reihe wegweisender Experimente wurden grundlegende quantenmechanische Merkmale in mechanischen Systemen beobachtet, darunter Energiequantisierung und Verschränkung.

Um solche Systeme in Grundlagenstudien und technologischen Anwendungen einzusetzen, ist die Beobachtung von Quanteneigenschaften jedoch nur ein erster Schritt. Als Nächstes gilt es, die Handhabung mechanischer Quantenobjekte zu beherrschen, sodass ihre Quantenzustände kontrolliert, gemessen und schließlich in geräteähnlichen Strukturen genutzt werden können. Die Gruppe von Yiwen Chu am Departement Physik der ETH Zürich hat nun grosse Fortschritte in diese Richtung gemacht. Einschreiben Naturphysikberichten sie von der Extraktion von Informationen aus einem mechanischen Quantensystem, ohne den wertvollen Quantenzustand zu zerstören. Dieser Fortschritt ebnet den Weg zu Anwendungen wie der Quantenfehlerkorrektur und darüber hinaus.

Massive Quantenmechanik

Als mechanisches System verwenden die ETH-Physiker eine knapp einen halben Millimeter dicke Platte aus hochwertigem Saphir. Auf seiner Oberseite sitzt ein dünner piezoelektrischer Wandler, der akustische Wellen anregen kann, die an der Unterseite reflektiert werden und sich so über ein genau definiertes Volumen innerhalb der Platte ausbreiten. Diese Anregungen sind die kollektive Bewegung einer großen Anzahl von Atomen, sie sind jedoch quantisiert (in Energieeinheiten, die als Phononen bekannt sind) und können zumindest im Prinzip Quantenoperationen auf sehr ähnliche Weise unterzogen werden wie die Quantenzustände von Atomen , Photonen und Elektronen sein können.

Interessanterweise ist es möglich, den mechanischen Resonator mit anderen Quantensystemen und insbesondere mit supraleitenden Qubits zu verbinden. Letztere sind winzige elektronische Schaltungen, in denen elektromagnetische Energiezustände quantisiert werden, und sie sind derzeit eine der führenden Plattformen für den Bau skalierbarer Quantencomputer. Die mit der supraleitenden Schaltung verbundenen elektromagnetischen Felder ermöglichen die Kopplung des Qubits mit dem piezoelektrischen Wandler des akustischen Resonators und damit mit seinen mechanischen Quantenzuständen.

In solchen hybriden Qubit-Resonator-Geräten kann das Beste aus zwei Welten kombiniert werden. Insbesondere können die hochentwickelten Rechenfähigkeiten von supraleitenden Qubits synchron mit der Robustheit und langen Lebensdauer akustischer Moden genutzt werden, die als Quantenspeicher oder Wandler dienen können. Für solche Anwendungen reicht es jedoch nicht aus, nur Qubit- und Resonatorzustände zu koppeln. Beispielsweise zerstört eine einfache Messung des Quantenzustands im Resonator diesen, wodurch wiederholte Messungen unmöglich werden. Was stattdessen benötigt wird, ist die Fähigkeit, Informationen über den mechanischen Quantenzustand auf sanftere, gut kontrollierte Weise zu extrahieren.

Der zerstörungsfreie Weg

Den Chu-Doktoranden Uwe von Lüpke, Yu Yang und Marius Bild ist es nun gelungen, gemeinsam mit Branco-Weiss-Stipendiat Matteo Fadel und mit Unterstützung des Semesterprojektstudenten Laurent Michaud ein Protokoll für solche sogenannten Quanten-Non-Demolition-Messungen zu demonstrieren. In ihren Experimenten findet während der Messung kein direkter Energieaustausch zwischen dem supraleitenden Qubit und dem akustischen Resonator statt. Stattdessen werden die Eigenschaften des Qubits von der Anzahl der Phononen im akustischen Resonator abhängig gemacht, ohne dass der mechanische Quantenzustand direkt „berührt“ werden muss – denken Sie an ein Theremin, das Musikinstrument, bei dem die Tonhöhe von der Position abhängt der Hand des Musikers ohne physischen Kontakt mit dem Instrument.

Die Schaffung eines Hybridsystems, bei dem sich der Zustand des Resonators im Spektrum des Qubits widerspiegelt, ist eine große Herausforderung. Es gibt strenge Anforderungen, wie lange die Quantenzustände sowohl im Qubit als auch im Resonator aufrechterhalten werden können, bevor sie aufgrund von Unvollkommenheiten und Störungen von außen verblassen. Die Aufgabe des Teams bestand also darin, die Lebensdauer sowohl des Qubit- als auch des Resonator-Quantenzustands zu verlängern. Und es gelang ihnen, indem sie eine Reihe von Verbesserungen vornahmen, darunter eine sorgfältige Auswahl des verwendeten supraleitenden Qubit-Typs und die Verkapselung des Hybridgeräts in einem supraleitenden Aluminiumhohlraum, um eine enge elektromagnetische Abschirmung zu gewährleisten.

Quanteninformationen auf Need-to-know-Basis

Nachdem das Team sein System erfolgreich in das gewünschte Betriebsregime (bekannt als „starkes dispersives Regime“) gebracht hatte, konnte es die Phononenzahlverteilung in seinem akustischen Resonator sanft extrahieren, nachdem es mit unterschiedlichen Amplituden angeregt worden war. Außerdem demonstrierten sie einen Weg, mit einer einzigen Messung festzustellen, ob die Anzahl der Phononen im Resonator gerade oder ungerade ist – eine sogenannte Paritätsmessung – ohne etwas über die Verteilung der Phononen zu lernen. Der Erhalt solch sehr spezifischer Informationen, aber keiner anderen, ist für eine Reihe von quantentechnologischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise kann eine Änderung der Parität (ein Übergang von einer ungeraden zu einer geraden Zahl oder umgekehrt) signalisieren, dass ein Fehler den Quantenzustand beeinflusst hat und eine Korrektur erforderlich ist. Wesentlich ist hierbei natürlich, dass der zu korrigierende Zustand nicht zerstört wird.

Bevor eine Implementierung solcher Fehlerkorrekturschemata möglich ist, ist jedoch eine weitere Verfeinerung des Hybridsystems erforderlich, insbesondere um die Genauigkeit der Operationen zu verbessern. Aber die Quantenfehlerkorrektur ist bei weitem nicht die einzige Anwendung am Horizont. In der wissenschaftlichen Literatur gibt es eine Fülle spannender theoretischer Vorschläge für Quanteninformationsprotokolle sowie für grundlegende Studien, die von der Tatsache profitieren, dass sich die akustischen Quantenzustände in massiven Objekten befinden. Diese bieten beispielsweise einzigartige Möglichkeiten, den Umfang der Quantenmechanik im Grenzbereich großer Systeme zu erforschen und die mechanischen Quantensysteme als Sensor nutzbar zu machen.