Durchbrechen der Temperaturbarriere: Wie Quanten-Grundzustandsakustik die Quantenphysik revolutionieren könnte
Forscher haben einen Durchbruch bei der Kühlung von Schallwellen in optischen Fasern erzielt, was sie dem quantenmechanischen Grundzustand näher bringt und klassische und Quantenmechanik verbindet.
Durchbruch bei der Kühlung von Schallwellen in optischen Fasern
Forscher der Stiller Research Group haben einen bedeutenden Durchbruch bei der Kühlung von Schallwellen in einer optischen Faser erzielt, was sie dem quantenmechanischen Grundzustand näher bringt. Durch den Einsatz von Laserkühlung und stimulierte Brillouin-Streuung konnten sie die thermische Rauschentwicklung verringern und potenziell klassische und Quantenmechanik miteinander verbinden.
In ihrer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie senkten die Forscher die Temperatur einer Schallwelle in einer optischen Faser um 219 K mithilfe von Laserkühlung. Dies ist zehnmal weiter als zuvor berichtet. Letztendlich gelang es ihnen, die Ausgangs-Phononenzahl bei einer Temperatur von 74 K um 75% zu reduzieren.
Die drastische Temperaturreduktion wurde durch den Einsatz von Laserlicht ermöglicht. Durch den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung kühlte das Laserlicht die akustischen Schwingungen effektiv ab und schuf eine Umgebung mit weniger thermischem Rauschen.
Vorteile von Glasfasern und Implikationen für die Quantenkommunikation
Glasfasern haben mehrere Vorteile, darunter ihre starke Wechselwirkung mit Licht und Schall über große Entfernungen. In diesem Experiment verwendeten die Forscher eine 50 cm lange optische Faser, in der eine Schallwelle über die gesamte Länge des Kerns auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wurde.
Diese Leistung eröffnet Möglichkeiten für Breitbandanwendungen in der Quantentechnologie. Dr. Birgit Stiller, die Leiterin der Forschungsgruppe für quantenoptoakustik, betont das aufregende Potenzial zur Manipulation langer akustischer Phononen und zur Erreichung des quantenmechanischen Grundzustands in Wellenleitern.
Die Fähigkeit, Schallwellen in Wellenleitsystemen zu kühlen, ermöglicht tiefere Einblicke in die grundlegende Natur der Materie. Es hat auch Auswirkungen auf Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme und zukünftige Quantentechnologien.
Quantenmechanische Perspektive auf Klang und Phononen
Aus quantenmechanischer Sicht kann Klang als Teilchen namens Phonon beschrieben werden. Das Phonon repräsentiert die kleinste Energiemenge in einer akustischen Welle bei einer bestimmten Frequenz. Durch Minimierung der Anzahl von Phononen können Forscher das quantenmechanische Verhalten von Klang beobachten und untersuchen.
Das Erreichen des quantenmechanischen Grundzustands, bei dem die Anzahl der Phononen gegen Null geht, ermöglicht die Messung quantenmechanischer Effekte. Dieser Durchbruch bei der Kühlung von Schallwellen bringt die Forscher näher an das Verständnis der grundlegenden Natur der Materie und ebnet den Weg für neue Experimente.
Die Verwendung von Wellenleitsystemen wie optischen Fasern ermöglicht eine kontinuierliche Ausbreitung von akustischen Wellen mit einer breiten Bandbreite. Dies macht sie vielversprechend für Anwendungen in Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen und anderen Quantentechnologien.
