Wissenschaftler beobachten erstmalig das Verschwinden eines einzelnen Phonons in Echtzeit

Forscher der Stanford University haben die erstmalige Echtzeitbeobachtung des Quantenübergangs bekannt gegeben, bei dem ein einzelnes „Phonon“ verschwindet. Dieser in der Fachzeitschrift Science am 17. September veröffentlichte Durchbruch stellt einen wichtigen Schritt im Verständnis von Quantenschwingungen dar.

Phononen sind die kleinsten diskreten Energieeinheiten für Schall auf Quantenebene. Im Gegensatz zum kontinuierlichen Abklingen in der makroskopischen Welt erfolgen Energieänderungen in der Quantenwelt als plötzliche, diskrete Verschiebungen, bekannt als Quantenübergänge. Professor Amir H. Safavi-Naeini, Leiter des Forschungsteams, erklärte, dass die Detektion dieser Phonon-Übergänge zur Bewältigung einer entscheidenden Herausforderung in der Quantenberechnung beitragen könnte: der Identifizierung von Fehlern während der Berechnung, da Quantenübergänge oft solche Fehler signalisieren.

Das Experiment nutzte einen winzigen mechanischen Resonator, ähnlich einer Mikro-Stimmgabel, der mit einem supraleitenden Qubit verbunden war. Diese Anordnung ermöglichte es dem Qubit, sowohl Quanteninformationen zu speichern als auch als Detektor zu fungieren, der den Zustand des Resonators kontinuierlich überwacht, ohne seinen quantenmechanischen Schwingungszustand zu stören. Das Team entwickelte Resonatoren mit einer außergewöhnlich langen Lebensdauer, die etwa 2 Millisekunden schwangen. Dies ermöglichte Hunderte von Messungen und die Erfassung des genauen Moments, in dem ein einzelnes Phonon verschwand.

Diese Arbeit baut auf über einem Jahrhundert Forschung zu Quantenübergängen auf. Während frühere Experimente indirekte Beweise für Phonon-Übergänge lieferten, ist dies die erste direkte Echtzeitverfolgung eines einzelnen Übergangsereignisses. Die Forscher glauben, dass diese Technologie die Fehlerkorrekturfähigkeiten von Quantencomputern verbessern und die Entwicklung von hochpräzisen Quantensensoren vorantreiben könnte.