Schrödingers Katze trifft auf magnetomechanische Plattformen
Quantensensoren zählen zu den interessantesten Anwendungen in der Quantenphysik. Das Pentagon möchte diese auf zukünftigen Satelliten installieren, Navigationsdienstleister sehen in ihnen die Zukunft des GPS, und ja, selbst Ärztinnen und Ärzte könnten eines Tages auf Quantensensoren zurückgreifen, um frühe Anzeichen für Erkrankungen zu erkennen. Doch obgleich den Möglichkeiten keine Grenzen gesetzt zu sein scheinen, benötigen die Forschenden nach wie vor verbesserte Technologieplattformen zur Durchführung von Experimenten. Das MaQSens-Projekt zielte insbesondere auf die Entwicklung einer Plattform ab, die eine wesentliche Frage beantworten kann: Wie können wir Quantenmerkmale oder Methoden aus der Quantenphysik nutzen, um unsere gegenwärtigen sensorischen Kapazitäten zu erweitern? Im Fokus standen vor allem Trägheitssensoren, die für die Messung seismologischer Ereignisse und für die Navigation verwendet werden. „Die Beantwortung dieser Frage erfordert ein hohes Maß an Kontrolle über ein Objekt, das für äußere Kräfte empfänglich ist“, sagt Markus Aspelmeyer, Kokoordinator des Projekts im Auftrag der Universität Wien. „Die Quanteninformatik hat die Entwicklung supraleitender Elemente für die Quantenkontrolle mit atemberaubender Geschwindigkeit vorangebracht, und ähnliche Entwicklungen sind über die vergangenen Jahrzehnte im Bereich der Nanomechanik zu beobachten gewesen. Mit MaQSens kombinieren wir diese Entwicklungen. Wir verwenden diese in einer Plattform, die Zugang zu einer Quantenkontrolle für weitaus größere Massen bietet, als dies bislang möglich war, und erweitern somit die Grenzen der Trägheitssensorik.” Die Urväter der Quantentheorie (erinnern Sie sich an Schrödingers Katze?) wussten es nur allzu gut. Die Demonstration von Quanteneffekten für große oder sogar massereiche Objekte ist der heilige Gral der Quantenwissenschaften und das Gestalten einer Plattform für diesen Zweck wäre ein unvorstellbarer Durchbruch.
Eine supraleitende Sphäre
Hierfür verwendet das Projektteam kleine supraleitende Objekte als extrem empfindliche Messfühler für Kräfte und Beschleunigungen. Laut Aspelmeyer besteht die zentrale Innovation darin, dass das Projekt verschiedene Ideen und Technologien wie die Nanomechanik, die Atomphysik bis hin zur Quanteninformatik miteinander kombiniert, um die Quanteneigenschaften der Objektbewegung auf einer Plattform im Chipmaßstab zu kontrollieren. „Wir beginnen mit einer supraleitenden Sphäre, die wenige Hundertstel eines Millimeters im Durchschnitt misst“, sagt Michael Trupke, ein leitender Postdoktorand, der aktiv an dem Projekt mitwirkte. „Wir verbinden diese Sphäre mit einem kleinen mechanischen Strahl oder bringen diese unter Verwendung von Magnetfeldern, die durch supraleitende Spulen erzeugt werden, zum Schweben. Die Sphäre wird in der Nähe einer anderen Spule gehalten, die mit einem sogenannten supraleitenden Schaltkreis verbunden ist, welcher als externes Quantensystem fungiert. Auf diese Weise ist die Bewegung der Sphäre an den Schaltkreis gekoppelt, was bedeutet, dass sich beide wechselseitig beeinflussen können.“ Ab diesem Punkt kann das Team die Wechselwirkung mit dem Quantensystem nutzen, um die Bewegung der Sphäre im Quantenbereich zu kontrollieren. Das Ziel ist zum Beispiel, diese auf ein Niveau herunterzukühlen, bei dem die Bewegung ausschließlich durch Quantenfluktuationen bestimmt ist. „Gleichzeitig können wir den Quantenschaltkreis verwenden, um die Bewegung der supraleitenden Sphäre auszulesen. Jede zusätzliche Verschiebung, beispielsweise aufgrund einer Bewegung des gesamten Apparats oder aufgrund einer äußeren Kraft, kann somit mit extremer Empfindlichkeit erfasst werden. All dies ist in eine Architektur im Miniaturchip-Maßstab integriert, die nur wenige Quadratzentimeter an Größe misst“, fährt Trupke fort.
Nächster Halt: Der Quantensensorikbereich
Zum jetzigen Zeitpunkt, also wenige Monate vor seinem Abschluss, hat das Projekt bereits zur Entwicklung mehrerer Plattformprototypen geführt. Das Team hat es bemerkenswerterweise geschafft, einen mikroskopischen Supraleiter fast ohne Dämpfung zum Schweben zu bringen, was eine erforderliche Voraussetzung für die Trägheitssensorik ist. Letztlich wird dies eine nie dagewesene Kontrolle im Bereich der Quantensensorik in Kombination mit einem einzigartigen Zugang zum Bereich mit großer Masse ermöglichen. „Der nächste wichtige Meilenstein ist die Nutzung der bereits demonstrierten Kopplung an supraleitende Quantenschaltkreise, um das Gebiet der Quantensensorik zu erschließen. Alle Maßnahmen des Teams sind jetzt darauf fokussiert“, sagt Aspelmeyer. Auf lange Sicht gehen Aspelmeyer und Trupke von großen Auswirkungen auf Bereiche wie die Avionik und die Raumfahrt aus, in denen hohe Anforderungen an Trägheitssensoren für die bestehenden Technologien nach wie vor ungelöste Herausforderungen darstellen. Man hofft zudem, dass die MaQSens-Plattform eine völlig neue Generation fundamentaler physikalischer Untersuchungen von makroskopischen Quantenphänomenen ermöglichen wird, nicht zuletzt zu den Quanteneffekten unter dem Einfluss von Schwerkraft.
Schlüsselbegriffe
MaQSens, Quantensensor, Sensorik, Technologieplattform, Trägheitssensor, Nanomechanik, Bereich mit großer Masse