Das Prinzip der Rückkopplung kennen wir alle: Mithilfe eines Thermostaten an der Heizung regeln wir die Raumtemperatur. Der Thermostat misst die aktuelle Temperatur, gleicht diese mit einem Sollwert ab und regelt je nach Messwert den Durchfluss der Heizung. Solche Regelkreise begegnen uns in zahlreichen Bereichen des Alltags und der Technik.
Auch in der Quantenwelt sind Regelkreise nützlich, um ein System in einen gewünschten Zustand zu bringen. Oft ist es beispielsweise erforderlich bei sehr tiefen Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts zu arbeiten, um die sensiblen Effekte der Quantenwelt beobachten und für neue technologische Anwendungen nutzen zu können. In der Welt der Quanten, in der so Vieles anders ist als in der uns vertrauten makroskopischen Welt, funktioniert die klassische Rückkopplung, bei der eine Messung innerhalb eines Regelkreises notwendig ist, jedoch nur eingeschränkt.
In Quantensystemen führt nämlich allein schon die Messung zu einer Veränderung des Systems und somit zu einer unkontrollierten Rückwirkung. Um ein Quantensystem zu kühlen, nutzen Forschende um Philipp Treutlein vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel daher erstmals das Prinzip der kohärenten Rückkopplung und veröffentlichten die Ergebnisse im Fachjournal Physical Review X.
Kontrolle ohne Messung
Bei der kohärenten Rückkopplung interagieren zwei Quantensysteme miteinander. Da eines der Systeme als Kontrolleinheit des anderen Systems fungiert, ist keine Messung erforderlich. Stattdessen wird das Kontrollsystem so eingestellt, dass es das Zielsystem durch quantenmechanisch kohärente Wechselwirkung in einen gewünschten Zustand bringt.
Ganz konkret haben die Forschenden mit Atomen als quantenmechanisches Kontrollsystem die Temperatur einer makroskopischen, aber sehr dünnen vibrierenden Membran gesteuert. Dazu wird zunächst der Eigendrehimpuls der Atome in einer wohldefinierten Richtung ausgerichtet, was einem sehr kalten Zustand nahe des absoluten Nullpunkts entspricht. Die Membran hingegen vibriert aufgrund ihrer hohen Temperatur stark.
Durch quantenmechanische Wechselwirkung tauschen Atome und Membran ihre Zustände - die Membran wird kalt, ihre Energie wurde an die Atome Übertragen. Diese können mit Laserlicht aber sehr schnell wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt und für eine erneute Energieübertragung von der Membran vorbereitet werden.
Mithilfe dieser kohärenten Rückkopplung ist es den Forschenden gelungen, innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde die Temperatur der oszillierenden Membran von Raumtemperatur auf 200 Millikelvin (-272,95 °C) - also eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts - zu kühlen.
’Aufgrund der Interaktion der beiden Systeme schieben wir die Membran in den kalten Zustand’, erklärt Doktorand Gian-Luca Schmid, der zusammen mit Chun Tat Ngai, ebenfalls Doktorand bei Treutlein, Erstautor der Studie ist. ’Faszinierend bei den Untersuchungen ist, dass wir ein makroskopisches mit einem atomaren Quantensystem über eine recht grosse Distanz koppeln und steuern können’, kommentiert Philipp Treutlein.
Verzögerungen trotz Lichtgeschwindigkeit
Die vergleichsweise grosse Distanz zwischen den beiden Quantensystemen ist eine wichtige Voraussetzung für mögliche Anwendungen in der Quantentechnologie. Sie führt aber auch dazu, dass es zu winzigen Verzögerungen kommt. Obwohl sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, macht sich die Verzögerung bei der Rückkopplung bemerkbar und das System wird instabiler. Als Folge wird die oszillierende Membran etwas weniger gekühlt als dies ohne Verzögerung theoretisch möglich wäre.
Die Forschenden in Basel untersuchen Phänomene wie diese an Quantenschnittstellen zwischen Atomen und Festkörpersystemen, da derartige Hybridsysteme in der zukünftigen Quantentechnologie eine wichtige Rolle spielen werden. Neuartige Sensoren und Quantennetzwerke sind mögliche Anwendungen.
’Wir sind sicher, dass unsere Studie weitere praktische Untersuchungen zur kohärenten Rückkopplung von Quantensystemen auslösen wird’, so Treutlein.
Originalpublikation
Gian-Luca Schmid, Chun Tat Ngai, Maryse Ernzer, Manel Bosch Aguilera, Thomas M. Karg and Philipp Treutlein
Coherent feedback cooling of a nanomechanical membrane with atomic spins
Physical Review X (2022), doi: 10.1103/PhysRevX.12.011020