Neue Schaltung erkennt schwächste Funksignale, die von der Quantenmechanik zugelassen werden

• Physiker bauen eine neue Schaltung, die sehr kleine Quantenschritte (Photonen) in Hochfrequenzsignalen erkennen kann.
• Diese neuen Quantenschaltungen könnten eine Reihe von Anwendungen haben, von der Kernspintomographie bis zur Radioastronomie.

Die Erkennung schwacher hochfrequenter elektromagnetischer Felder spielt in mehreren Bereichen eine wichtige Rolle, von der Kernspintomographie bis hin zur Radioastronomie.

In der Quantenoptik ist das schwächste Signal ein einzelnes Photon. Es ist wirklich schwierig, einzelne Photonen bei Megahertz-Frequenzen zu erkennen und zu manipulieren, da Sie thermische Fluktuationen selbst bei kryogenen Temperaturen nicht stoppen können.

Physiker der Technischen Universität Delft haben nun ein System entwickelt, das eine solche Detektion ermöglicht. Sie haben einen Quantenschaltkreis gebaut, um die schwächsten Signale – Photonen oder Energiequanten – zu erkennen, die die Theorie der Quantenmechanik erlaubt.

Kleine Quantenschritte

In der Quantenmechanik kommt Energie in Form von winzigen Rissen, die als „Quanten“ bekannt sind. Lassen Sie mich das an einem Beispiel erklären:Nehmen wir an, Sie schieben einen Einkaufswagen. Nach klassischer Physik kannst du dem Wagen einen zusätzlichen Schub geben, wenn du schneller fahren möchtest, um mehr Energie und mehr Geschwindigkeit zu erzielen.

Die Gesetze der Quantenmechanik sind jedoch ganz andere:Sie können die Energie des Wagens nur um jeweils einen „Quantenschritt“ erhöhen. Diese „Quantenschritte“ sind zu schwach, um den Wagen zu schieben. Tatsächlich gibt es kaum ein Gerät, um einen einzelnen Quantenschritt genau zu detektieren. Das gleiche gilt für Funkwellen.

Referenz:ScienceMag | doi:10.1126/science.aaw3101 | Technische Universität Delft

Was die Forscher in dieser Studie aufgebaut haben, kann diese winzigen Quantenschritte in Hochfrequenzsignalen tatsächlich nachweisen. Die neue quantenelektrodynamische Schaltungsarchitektur ermöglicht das Auslesen und Manipulieren eines Hochfrequenzresonators auf Quantenebene.

Der in dieser Studie entwickelte Quantum-Chip (1*1 cm) | Quelle:TU Delft

Die Architektur kann auch verwendet werden, um die Quantenelektrodynamik von Schaltkreisen mit anderen physikalischen Systemen im Megahertz-Frequenzbereich zu verbinden, beispielsweise makroskopischen mechanischen Oszillatoren oder Spinsystemen.

Wechselspiel zwischen Quantengravitation und Quantenmechanik

Das Team zielt darauf ab, Quantenmechanismen über Anwendungen in der Quantensensorik hinaus zu bringen:Sie wollen die Quantengravitation erforschen. Obwohl die Theorie des Quantenelektromagnetismus erstmals in den 1920er Jahren formuliert wurde, konnten Physiker nicht herausfinden, wie man die Gravitation in die Quantenmechanik einpassen kann.

Forscher planen, die Quantenschwingungen großer Objekte mit Hilfe des Quantenradios abzuhören und zu manipulieren. Sie werden auch versuchen, Quantengravitation und Mechanik zu kombinieren und zu sehen, was passiert.

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Natürlich werden solche Experimente nicht einfach durchzuführen sein, aber wenn sie erfolgreich sind, könnten sie möglicherweise eine Quantenüberlagerung der Raumzeit selbst erzeugen, was ein umfassendes Verständnis sowohl der allgemeinen Relativitätstheorie als auch der Quantenmechanik erfordern würde.