Quelltext der Seite Quantenmaschine

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[[Datei:QubitMechanicalResonator.jpg|mini|300px|Photographie der von o'Connell entwickelten Quantenmaschine. Der mechanische Resonator befindet sich links von dem Koppelkondensator (kleines weißes Viereck), das Qubit rechts davon.]]
Die '''Quantenmaschine''' ist eine [[Maschine]], deren Bewegungen sich durch die [[Quantenmechanik]] beschreiben lassen, während ihre Beschreibung im Rahmen der [[klassische Mechanik|klassischen Mechanik]] nicht möglich ist. Die erste Quantenmaschine wurde im Jahr 2009 von [[Aaron D. O'Connell]] an der [[University of California, Santa Barbara]] im Rahmen seiner Promotion unter der Leitung von [[Andrew N. Cleland]] und [[John M. Martinis]] entwickelt.<ref name="oConnell_Nature_2010">A. D. O’Connell, M. Hofheinz, M. Ansmann, R. C. Bialczak, M. Lenander, E. Lucero, M. Neeley, D. Sank, H. Wang, M. Weides, J. Wenner, J. M. Martinis, and A. N. Cleland, ''Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator'', Nature, Vol. 464, April 2010, S. 697–703, {{DOI|10.1038/nature08967}}.</ref>

Andrew Cleland und John Martinis Quantenmaschine besteht aus einem ca. 40&nbsp;µm großen mechanischen [[Oszillator]], der elektrisch mit einem [[Qubit]] gekoppelt ist. Bei den Experimenten konnten verschiedene Quantenphänomene, wie z.&nbsp;B. die kontrollierte Erzeugung quantisierter Schwingungszustände ([[Phonon]]en) und die [[Quantenverschränkung]] dieser Schwingungszustände mit dem Qubit beobachtet werden. Das US-Fachjournal [[Science]] hat die Quantenmaschine zum wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres (englisch: „breakthrough of the year“) 2010 gekürt.<ref name="Cho_Science_2010">Adrian Cho, ''[[Breakthrough of the Year]]: The First Quantum Machine'', [[Science]], Vol. 330, Nr. 6011, 2010, S. 1604, {{doi|10.1126/science.330.6011.1604}}</ref>

== Hintergrund ==
Die Idee, dass nicht nur Objekte in der Größenordnung von [[Molekül]]en, sondern auch [[makroskopisch]]e Objekte den Gesetzen der Quantenmechanik folgen könnten, stammt bereits aus den Anfängen der [[Quantenmechanik]] im frühen 20. Jahrhundert.<ref>E. Schrödinger, ''Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik'', [[Die Naturwissenschaften]], Bd. 23, 1935, {{DOI|10.1007/BF01491891}} (Teil 1), {{DOI|10.1007/BF01491914}} (Teil 2), {{DOI|10.1007/BF01491987}} (Teil 3)</ref> In der Größenordnung von Molekülen und darunter lieferten experimentelle Messungen bereits Ergebnisse, die der [[Klassische Physik|klassischen Physik]] widersprechen. Allerdings sind Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten nicht leicht beobachtbar. Die Energiequanten makroskopischer Objekte sind so klein, dass Energieänderungen kontinuierlich aufzutreten scheinen.<ref name="GrößenordnungEnergiequanten">Beispielsweise beträgt ein Energiequantum der Schwingung eines Pendels mit einer Schwingungsfrequenz von 1 Hertz etwa <math>6\cdot 10^{-34}\,\mathrm{J}</math>.</ref> Weiterhin werden durch unvermeidliche [[Dekohärenz]]effekte die bei mikroskopischen Systemen typischen [[Interferenz_(Physik)|Interferenzeffekte]] sehr effizient unterdrückt.<ref name="Zurek_Review_2003">W. H. Zurek, ''Decoherence, Einselection, and the Quantum Origins of the Classical'', Reviews of Modern Physics, Vol. 75, 2003, S. 715–765.</ref> Bei der von O'Connell entwickelten Quantenmaschine konnten diese Probleme durch ein optimiertes Resonatordesign und verschiedene weitere konstruktive Maßnahmen teilweise gelöst werden.

== Aufbau der O'Connellschen Quantenmaschine ==
[[Datei:QuantumMachine_SEM_MechanicalResonator.jpg|mini|300px|Elektronenmikroskopische Aufnahme des Herzstücks der Quantenmaschine, des Dünnfilm-Resonators. Die im Zentrum des Bildes sichtbare obere Elektrode verdeckt den Blick auf die piezoelektrische Schicht und auf die untere Elektrode.]]
Der Oszillator der von O'Connell entwickelten Quantenmaschine war ein in [[FBAR-Technologie|Dünnschichttechnologie]] hergestelltes [[Piezoelement]] aus [[Aluminiumnitrid]] mit einem Durchmesser von 40&nbsp;µm und einer Dicke von 330&nbsp;nm. Dieser Durchmesser entspricht ungefähr dem Durchmesser dünnen [[Vellushaar|menschlichen Flaumhaars]], der Oszillator der Quantenmaschine war mit bloßem Auge gerade noch erkennbar. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zwischen den Elektroden konnten Dehnungsschwingungen des Piezoelements angeregt werden, wobei die [[Resonanzfrequenz]] dieser [[Moden|Schwingungsmode]] bei etwa 6 GHz lag. Durch Abkühlen des Oszillators auf eine Temperatur von 25&nbsp;mK konnten thermische Einflüsse auf das Experiment, insbesondere die thermische Anregung von Schwingungsquanten weitgehend unterdrückt werden. Das Piezoelement war mit einem [[Josephson-Kontakt]] [[kapazitive Kopplung|kapazitiv gekoppelt]], der als [[Qubit]] verwendet wurde. Die Kopplung zwischen Resonator und Qubit konnte durch Steuerung der Josephson-Frequenz des Josephson-Kontakts und durch Einkoppeln von [[Mikrowellen]]pulsen in den Koppelkondensator beeinflusst werden.

== Quanteneffekte ==
An der Quantenmaschine konnten verschiedene Quanteneffekte nachgewiesen werden.

Zunächst bestimmten die Forscher die mittlere Anzahl thermisch angeregter Schwingungsquanten (Phononen) des Resonators. Hierbei wurde das Qubit als Sonde verwendet, welches in seinem Grundzustand <math>|g \rangle</math> präpariert wurde. Aus der geringen Wahrscheinlichkeit für Anregungsereignisse des Qubits konnte abgeleitet werden, dass die mittlere Phononenzahl bei 0,07 lag, d.&nbsp;h. der Resonator befand sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 93 % in seinem quantenmechanischen Grundzustand <math>|0 \rangle</math>.

In einem nächsten Schritt wurden kontrolliert einzelne Schwingungsquanten des Resonators angeregt. Bei diesem Experiment wurde zunächst das Qubit in seinen angeregten Zustand <math>|e \rangle</math> gebracht, woraufhin ein periodischer Wechsel ([[Rabi-Oszillation]]en) des Energiequants vom Qubit zum Resonator und zurück beobachtet wurde. Der Resonator und das Qubit befanden sich also in einem [[Quantenverschränkung|verschränkten Zustand]]. Die Lebensdauer der Rabi-Oszillation war hauptsächlich durch die Dämpfung des Resonators begrenzt, die Zerfallszeit (genauer: die <math>T_1</math>-Relaxationzeit) lag bei 6,1&nbsp;ps. Aufgrund dieser kurzen Lebensdauer war es nicht möglich, eine vollständige Bestimmung des quantenmechanischen Zustands durch eine [[Zustandstomographie]] durchzuführen.

== Rezeption ==

Die Experimente der Arbeitsgruppe aus Santa Barbara wurden in der Zeitschrift [[Nature]] veröffentlicht und von der Zeitschrift [[Science]] zum Durchbruch des Jahres 2010 gekürt.<ref name="oConnell_Nature_2010" /><ref name="Cho_Science_2010" /> Nach Einschätzung des Science-Autors Cho eröffnen die Ergebnisse unter anderem neue Möglichkeiten zur Entwicklung ultrasensitiver Kraftsensoren und zur Erzeugung von Quantenzuständen von Licht. Weitere Anwendungen sieht Cho in der Grundlagenforschung in der Durchführung von Tests der Quantenmechanik bei Anwendung auf makroskopische Objekte.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Marcelo Alonso, Edward J. Finn: ''Quantenphysik und Statistische Physik''. 2005. ISBN 978-3-486-57762-4
* Stephen Gasiorowicz: ''Quantenphysik''. 9. Auflage 2005. ISBN 978-3-486-27489-9

== Weblinks ==
* [http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=12751 Ausführlicher Artikel in dem von der DPG betriebenen online-Magazin pro-Physik]
* [http://www.ted.com/talks/aaron_o_connell_making_sense_of_a_visible_quantum_object.html Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object] Video eines [[TED (Konferenz)|TED]]-Vortrags von Aaron O'Connell über seine Quantenmaschine (englisch)

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