Im Labor von Stanford hörte ein winziger mechanischer Resonator plötzlich auf, sanft zu vibrieren – er tat es ruckartig, genau so, wie es die Quantenmechanik vorhergesagt hatte. Den Wissenschaftlern gelang es erstmals, diesen Moment in Echtzeit festzuhalten: Ein Schallquant, oder Phonon, wechselte innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde von einem Energiezustand in einen anderen.
Phononen sind diskrete Portionen der Schwingung, analog zu den Photonen des Lichts. In der gewöhnlichen Welt klingt der Schall allmählich ab, wie eine Glocke nach dem Anschlag. Auf der Quantenebene ändert sich die Energie sprunghaft, und nun ist es den Forschern unter der Leitung von Amir Safavi-Naini gelungen, einen solchen Sprung „im Flug“ einzufangen.
Der Schlüssel zum Erfolg war ein mikroskopisch kleiner Resonator, der ganze zwei Millisekunden lang „nachklingen“ konnte – für seine Größe ist das eine enorme Zeitspanne. Während dieser Zeit gelang es einem supraleitenden Qubit, das mit dem Resonator verbunden war, Hunderte von Messungen durchzuführen und den genauen Moment zu bestimmen, in dem das Phonon verschwand und vom Zustand „1“ in „0“ überging.
Das Experiment eröffnet den Weg zu neuen Quantentechnologien. In Quantencomputern werden solche Sprünge häufig zur Fehlerquelle; die Fähigkeit, sie zu verfolgen, ist ein wichtiger Schritt zur Fehlerkorrektur. Darüber hinaus wird die Empfindlichkeit des Geräts die Entwicklung hochpräziser Sensoren ermöglichen, beispielsweise zum Nachweis einzelner Proteine innerhalb von Zellen.
Perspektivisch wird die Kontrolle des Quantenschalls auch alltägliche Geräte verbessern: Smartphones, akustische Sensoren und andere Apparate, in denen der Schall eine Schlüsselrolle spielt. Die Studie wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht und vollendet eine hundertjährige Suche, die bereits zu Beginn des XX. Jahrhunderts begonnen hatte.
Nun geht die Quantenakustik von der Theorie in die Praxis über, und das verändert die Vorstellung davon, wie sich Schwingungen auf der fundamentalsten Ebene steuern lassen.
