Quanten-Schaltung durchbricht Barrieren: Detektion schwächstmöglicher Radiosignale

Physiker bauen eine neue Schaltung, die winzige Quantensprünge (Photonen) in Radiosignalen detektieren kann. Diese neuen Quantenschaltungen könnten zahlreiche Anwendungen haben – von Kernspinresonanz-Bildgebung bis Radioastronomie.

Winzige Quantensprünge

Detektion schwacher Radiofrequenz-Elektromagnetfelder spielt in mehreren Bereichen eine wichtige Rolle, einschließlich Kernspinresonanz-Bildgebung und Radioastronomie.

In der Quantenoptik ist das schwächste Signal ein einzelnes Photon. Einzelne Photonen bei Megahertz-Frequenzen zu detektieren und zu manipulieren, ist extrem schwer, da man thermische Fluktuationen selbst bei kryogenen Temperaturen nicht stoppen kann.

Physiker der TU Delft entwickelten nun ein System, das solche Detektion ermöglicht. Sie bauten eine Quantenschaltung, die die schwächsten Signale – Photonen oder Energiequanten – detektiert, die die Quantenmechanik theoretisch erlaubt.

Funktionsweise

In der Quantenmechanik kommt Energie in winzigen Stücken, «Quantenn», vor. Beispiel: Man schiebt einen Einkaufswagen. Klassisch gibt man einen zusätzlichen Schubs für mehr Energie und Geschwindigkeit.

Quantenmechanisch anders: Man kann die Energie des Wagens nur ein «Quantum» pro Schritt erhöhen. Diese «Quantensprünge» sind zu schwach, den Wagen zu bewegen. Kaum ein Gerät detektiert einen einzelnen Quantensprung präzise. Gleiches gilt für Radiowellen.

Referenz: ScienceMag | doi:10.1126/science.aaw3101 | TU Delft

Was Forscher hier bauten, detektiert tatsächlich diese winzigen Quantensprünge in Radiosignalen. Die neue Circuit-QED-Architektur ermöglicht Auslesung und Manipulation eines Radiofrequenz-Resonators auf Quantenebene.

Der Quantenchip (1×1 cm) aus dieser Studie | Quelle: TU Delft

Die Architektur kann auch Circuit-QED mit anderen physikalischen Systemen im Megahertz-Bereich verbinden, beispielsweise makroskopische mechanische Oszillatoren oder Spinsysteme.

Wechselspiel zwischen Quantengravitation und Quantenmechanik

Das Team will Quantenmechanik über Quanten-Sensing-Anwendungen hinaus treiben: Quantengrativation erforschen. Obwohl Quantenelektrodynamik-Theorie schon in den 1920ern formuliert wurde, gelang es Physikern nicht, Gravitation in die Quantenmechanik einzupassen.

Forscher planen, Quantenvibrationen großer Objekte mit dem Quantenradio zu «hören» und zu manipulieren. Sie versuchen, Quantengravitation und Mechanik zu kombinieren und zu sehen, was passiert.

Solche Experimente sind nicht einfach, aber bei Erfolg könnte man eine Quantensuperposition von Raumzeit selbst erzeugen – was tiefes Verständnis sowohl der Allgemeinen Relativitätstheorie als auch der Quantenmechanik erfordert.