Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

In der Welt der Physik gibt es eine grundlegende Kluft zwischen den Regeln, die das extrem Kleine regieren, und den Regeln, die die alltägliche Welt bestimmen. Auf der Skala von Atomen und subatomaren Teilchen verhalten sich Objekte auf seltsame Weise: Sie können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, und ihre Eigenschaften sind unscharf, definiert durch Wahrscheinlichkeiten statt durch feste Werte. Dies ist das Reich der Quantenmechanik. Im Gegensatz dazu folgen die Objekte, die wir sehen und berühren – Stühle, Autos und Menschen – den vorhersehbaren Gesetzen der klassischen Physik. Seit über einem Jahrhundert fragen sich Wissenschaftler, wo die Linie zwischen diesen beiden Welten gezogen wird. Warum verhalten sich große Objekte nicht wie Quantenteilchen? Um dies zu beantworten, versuchen Forscher, immer größere Objekte in das Quantenreich zu drängen und sie dazu zu zwingen, den seltsamen Regeln des winzigen Bereichs zu gehorchen. Ein wesentlicher Teil dieser Bemühungen beinhaltet das „Quetschen“ (Squeezing), eine Technik, die die natürliche Unschärfe der Bewegung eines Objekts in einer Richtung reduziert, während sie in einer anderen zulässt, dass diese zunimmt. Wenn es Wissenschaftlern gelingt, die Bewegung eines großen Objekts stark genug zu quetschen, können sie es in einem speziellen Quantenzustand vorbereiten, was einen neuen Weg bietet, um zu testen, wie Gravitation und Quantenmechanik miteinander interagieren könnten.

Ein Forschungsteam hat nun einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels gemacht, indem es die Bewegung eines winzigen, aber makroskopischen mechanischen Obgels erfolgreich gequetscht hat. Bei dem fraglichen Objekt handelt es sich um einen Cantilever, einen mikroskopischen Sprungbrett aus Galliumarsenid, der lediglich 50 Nanogramm wiegt. Während diese Masse für menschliche Sinne unglaublich leicht ist, ist sie im Vergleich zu den Atomen, die üblicherweise in Quantenexperimenten untersucht werden, massiv. Dem Team gelang es, diesen Cantilever in einen „klassisch gequetschten“ Zustand zu versetzen, einen Zustand, in dem die Unsicherheit seiner Position auf ein Niveau reduziert wurde, das nur knapp über der absolut minimalen durch die Quantenphysik erlaubten Grenze liegt, die als Nullpunktfluktuation bekannt ist. Sie erreichten eine minimale Unsicherheit von 1,07 Mal dieser fundamentalen Grenze. Dieses Ergebnis ist drei Größenordnungen besser als bisherige Versuche mit ähnlichen Methoden und stellt einen massiven Sprung in der Präzision dar.

Das Experiment beruhte auf einem klugen Zusammenspiel zwischen Licht und Bewegung. Die Forscher platzierten den winzigen Cantilever in einer Vakuumkammer und bestrahlten ihn mit einem Laser. Während das Licht vom Cantilever abprallte, trug es Informationen über die Position des Objekts weg. Durch die sehr präzise Messung dieses Lichts konnte das Team die Bewegung des Cantilevers in Echtzeit verfolgen. Das bloße Beobachten des Objekts reicht jedoch nicht aus, um es zu quetschen; der Akt der Messung übt auch Druck auf das Objekt aus und fügt einen Stoß aus Rauschen hinzu, der als „Back-Action“ (Rückwirkung) bekannt ist. Um dies zu überwinden, verwendeten die Forscher eine Technik namens „bedingte Zustandspräparation“ (conditional state preparation). Sie speisten die Messdaten in einen Computerfilter ein, der die Position des Cantilevers basierend auf seinem bisherigen Verhalten vorhersagte. Indem sie diese Vorhersage nutzten, um den Zustand des Objekts klarer zu verstehen, als es die reine Messung allein zulassen würde, konnten sie das Rauschen aus einem Aspekt seiner Bewegung effektiv „herausquetschen“.

Ein entscheidender Teil ihres Erfolgs war die Geschwindigkeit ihrer Messungen im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Vibration des Cantilevers. Damit das Quetschen funktioniert, musste die Rate, mit der sie Informationen sammelten, hoch genug sein, um mit den natürlichen Oszillationen des Objekts Schritt zu halten. In diesem Experiment lag die Messrate bei etwa 54 % der Resonanzfrequenz des Cantilevers, eine Bedingung, die es ihnen ermöglichte, das übliche Gleichgewicht zu durchbrechen, bei dem Energie gleichmäßig zwischen Position und Impuls aufgeteilt wird. Stattdessen gelang es ihnen, die Unsicherheit in der Positionsmessung signifikant zu unterdrücken, während die Unsicherheit in der Impulsmessung zunahm – ein Kompromiss, der ein Kennzeichen von gequetschten Zuständen ist. Das Endergebnis zeigte, dass die Positionsunsicherheit auf nur 1,07 Mal das Nullpunktniveau reduziert wurde, während die Impulsunsicherheit auf fast das Achtfache dieses Niveaus anstieg, was deutlich demonstrierte, dass die Energie nicht mehr gleichmäßig verteilt war.

Trotz dieser beeindruckenden Leistung geben die Forscher vorsichtig zu bedenken, dass sie das „quantengequetschte“ Regime noch nicht vollständig erreicht haben. Ihr Zustand wird als „klassisch gequetscht“ beschrieben, da er zwar die klassische Regel der gleichen Energieverteilung verletzt, aber noch nicht unter die fundamentale Quantenrauschgrenze sinkt, was die Bestätigung eines vollkommen quantenmechanischen Zustands bedeuten würde. Das Experiment wurde durch verschiedene Rauschquellen begrenzt, darunter elektronische Interferenzen und die Schwierigkeit, den Laser perfekt stabil zu halten. Das Team stellte fest, dass nicht-stationäres Rauschen, das sich unvorhersehbar über die Zeit verändert, sie daran hinderte, die Daten in Echtzeit zu filtern, um einen definitiven Quantenzustand zu erzeugen. Dennoch beweist ihre Arbeit, dass das Protokoll praktikabel ist. Indem sie zeigten, dass ein messbasierter Ansatz ein makroskopisches Objekt so effektiv quetschen kann, haben sie den Weg für zukünftige Experimente geebnet. Mit weiteren Verbesserungen zur Reduzierung des Rauschens und zur Erhöhung der Messeffizienz glaubt das Team, dass es bald möglich sein wird, noch größere Objekte – potenziell einschließlich der massiven Spiegel, die in Gravitationswellendetektoren verwendet werden – in echten quantengequetschten Zuständen vorzubereiten. Dieser Fortschritt bringt Wissenschaftler näher an das Verständnis darüber, wie die Quantenwelt in die klassische Welt übergeht, die wir jeden Tag erleben.