Vibrierende Quanten

Grenoble (Frankreich) - Wer Ergebnisse von Quantencomputern oder Signale hochempfindlicher Quantensensoren auslesen will, muss die Prozesse in der Quantenwelt mit makroskopisch messbaren Vorgängen verknüpfen. Einen neuen Ansatz dazu entwickelte nun eine internationale Gruppe rund um Forscher von der Université Grenoble Alpes. Die Wissenschaftler schafften es, durch die optische Anregung eines einzigen Quantenpunkts eine kleine Keule aus Galliumarsenid in Schwingung zu versetzen. Wie die Wissenschafler in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, könnte dieses Grundlagenexperiment zu einer neuen Schnittstelle zwischen Quantensystemen und der makroskopischen Welt führen.

Jean-Philippe Poizat vom Institut Néel fertigte gemeinsam mit seinen Kollegen mit lithographischen Methoden eine 18 Mikrometer lange Struktur aus dem Verbindungshalbleiter Galliumarsenid. Diese stand in ihrem Experiment wie eine kleine Keule senkrecht auf einer hochreinen Unterlage. In den Fuß dieser Mikrokeule integrierten die Forscher einen winzigen Quantenpunkt aus Indiumarsenid. Dieser Quantenpunkt ließ sich mit Laserlicht optisch anregen, so dass in ihm einzelne Elektron-Loch-Paare, auch Exzitonen genannt, entstanden.

Bei diesem Übergang in den angeregten Zustand dehnte sich der Quantenpunkt wegen des zusätzlichen Exzitons ein wenig aus. Da sich der Quantenpunkt im Fuß der Mikrokeule nicht mittig, sondern etwas zum Rand versetzt befand, wurde die gesamte Mikrokeule etwas gekippt. Das wiederholte Erzeugen solcher Exzitonen führte dadurch zu einer leichten Schwingung der Mikrokeule. Diese Schwingung ließ sich wiederum mit einem Laser messen.

Dieses Experiment belegt, dass die optische Anregung eines Quantenzustands zu einer mechanischen, also makroskopischen Bewegung führen kann. Um Störeffekte zu vermeiden, liefen die Versuche bisher in einer tiefgekühlten Umgebung bei etwa minus 250 Grad Celsius ab. Diese optomechanische Kopplung der Quantenwelt mit weitaus größeren Objekten wie der hier genutzten Mikrokeule könnte nach Meinung der Forscher zu extrem empfindlichen Kraft- und Bewegungssensoren führen. In Zukunft wäre es auch vorstellbar, über eine solche Schnittstelle Informationen eines Quantencomputers auslesen zu können.