Um quantenmechanische Effekte an makroskopischen Systemen messen zu können, muss das thermische Rauschen unterdrückt und die Messempfindlichkeit signifikant erhöht werden. Forscher des Max-Planck-Institut für Quantenoptik kühlten einen Mikroresonator auf 200 Millikelvin ab und erzielten somit Messgenauigkeiten wie nie zuvor.

Abkühlung eines mechanischen Oszillators

Garching - Durch die Kombination von Heliumkühlung und aufgelöster Seitenband-Laserkühlung konnten die Wissenschaftler einen mesoskopischen Oszillator so stark abkühlen, dass seine Temperatur nur noch dem 60-fachen der Energie des Quantengrundzustandes entspricht. Gleichzeitig erreichten sie bei der Messung der Schwingungsamplituden eine Genauigkeit, die nur etwa 100-fach über dem Heisenbergschen Unschärfelimit liegt.

Diese neuen Messbedingungen wie extrem tiefe Temperaturen und Genauigkeiten nahe des "Heisenbergschen Limits" könnten die Messungen von quantenmechanischen Effekten an makroskopischen mechanischen Schwingungssystemen ermöglichen. Dies gäbe Aufschluss darüber, wie sich Systeme an der Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Welt verhalten und könnte somit die „Theorie der Quantenmessung“ experimentell überprüfbar machen. Denn allen Anstrengungen zum Trotz ließen sich die winzigen quantenphysikalisch bedingten Auslenkungen und die thermische Bewegung eines Oszillators noch nicht direkt beobachten. Wie Tobias Kippenberg, Leiter der Nachwuchsgruppe „Laboratory of Photonics and Quantum Measurements“ am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, in der Zeitschrift Nature Physics berichtet, sei der ultimative Quantengrundzustand eines mesoskopischen Objekts nun in Reichweite.

Ein mechanisches Schwingungssystem ist für den Physiker der Inbegriff eines vielfach verwendeten Systems: des harmonischen Oszillators. Gleichzeitig aber ist es, wie beispielsweise eine Sprungfeder oder ein einfaches Pendel, überall im Alltag anzutreffen. Obwohl es sich im Allgemeinen klassisch verhält, sagt die Theorie der Quantenmechanik überraschende Effekte sowohl für den mechanischen Oszillator als auch für die an ihm vorgenommenen Messungen vorher. Ein solcher Oszillator – so die Theorie – ist praktisch niemals in Ruhe, sondern vollführt kleine zufällige Bewegungen um seine Gleichgewichtslage. Bei höheren Temperaturen sind diese möglicherweise auf Stöße mit Molekülen in der Umgebung, oder auf die thermische Bewegung der in ihm enthaltenen Moleküle zurückzuführen. Aber nach der Quantenmechanik kommen diese Bewegungen auch am absoluten Temperaturnullpunkt nicht zum Stillstand. Messungen der Position des Oszillators und seiner Auslenkungen stören das System und verstärken diese Fluktuationen noch. Durch diese quantenmechanische „Rückwirkung“ ist die Messgenauigkeit fundamental auf die „Heisenbergsche Unschärfegrenze“ beschränkt.

Bis heute sind diese Effekte noch nicht experimentell beobachtet worden. Ihr Nachweis ist aber der Schlüssel, um die Grenze zwischen der klassisch regulierten Welt und quantenmechanischen Systemen zu verstehen, und die Vorhersagen der Theorie der Quantenmessungen quantitativ zu bestätigen. Dabei gibt es jedoch zwei Hürden zu überwinden: zum einen muss das thermische Rauschen unterdrückt werden, zum anderen müssen die extrem kleinen Schwingungsamplituden messtechnisch erfassbar werden. Bislang experimentierten die Forscher vor allem mit Schwingungssystemen von Nanometergröße. Doch trotz deren kleiner Masse (mit der größere Quantenfluktuationen verknüpft sind) blieb die Messempfindlichkeit weit oberhalb des „Heisenberglimits“.

Dies soll sich nun ändern: Tobias Kippenberg und sein Team entwickelten optomechanische Systeme aus kleinen Glasringen mit einem Durchmesser von 0,1 Millimeter, die – bei Schwingungsfrequenzen zwischen 65 und 122 MHZ – eine extrem geringe Dämpfung aufweisen. Durch Kontakt mit Helium-Gas bei niedrigem Druck kühlten sie das System auf 1,65 Kelvin ab. Unter Verwendung von Seitenband-Laserkühlung konnten sie die Temperatur noch weiter auf 200 Millikelvin erniedrigen. Dies entspricht einer Bewegungsenergie des Oszillators von 60 Schwingungsquanten und ist der bislang niedrigste erreichte Wert für Oszillatoren dieser Größenordnung.

Die bei dieser Temperatur extrem geringen Auslenkungen bestimmten die Wissenschaftler mit optischer Interferometrie. Indem sie sicher stellten, dass nur noch die Fluktuationen im Strom der nachgewiesenen Lichtquanten ein Hintergrundrauschen bildeten, erreichten sie eine Genauigkeit, die nur noch das etwa 100-fache der fundamentalen Heisenberggrenze beträgt. „Wenn wir uns die Größe der Fluktuationen anschauen, können wir auf die Störung schließen, die unsere Messung verursacht, d.h., wir können die quantenmechanische ‚Rückwirkung‘ quantifizieren“, erklärt Albert Schließer, Doktorand am Experiment.