"QND" - zerstörungsfreie Quantenmessungen von massiven mechanischen Objekten

Optomechanische Kräfte in Lichtresonatoren bieten faszinierende Möglichkeiten, massive mechanische Objekte unter Verwendung von Licht zu kontrollieren. Der große technische Fortschritt der letzten Jahre hat es ermöglicht, bis ins Quantenregime der Bewegung mechanischer Mikroresonatoren vorzudringen. Das Ziel des Projekts ist es, das Konzept zerstörungsfreier Quantenmessungen (engl. quantum non-demolition measurements) auch für diesen Bereich massiver Objekte zu implementieren. Ausgangspunkt ist eine von uns entwickelte Idee, mit ultrakurzen Lichtpulsen die Position eines mechanischen Objekts genauer zu bestimmen, als das durch herkömmliche, kontinuierliche Messmethoden möglich ist. Solche Messungen jenseits des sogenannten Standard Quantum Limits eröffnen eine Vielzahl neuer Anwendungen im Bereich der Optomechanik: von der Erzeugung nichtklassischer Zustände der Bewegung von massiven mechanischen Oszillatoren, etwa vakuum-gequetschte Zustände, bis hin zu einer vollständigen Tomographie des Quanten-Bewegungszustandes mit einer Auflösung, die in künftigen Experimenten auch die Rekonstruktion von komplexeren Quantenzuständen mit negativwertiger Wignerfunktion erlaubt.

Die Schwingung einer Geigensaite verhält sich wie eine Welle, wenn sie kontinuierlich vor und zurück schwingt und die Schallwellen produziert, welche wir hören. Der Quantenmechanik zufolge besteht die Bewegung der Saite allerdings aus sehr kleinen, diskreten Pakten aus Schwingungsenergie, sogenannten Phononen. Dieses Forschungsprojekt hatte als Ziel, diese Phononen mittels Techniken aus der Quantenoptik zu kontrollieren. Zunächst zeigten die Wissenschaftler, dass sie mit kurzen Laserpulsen eine speziell strukturierte Stimmgabel aus Silizium als Interface zwischen Lichtteilchen (Photonen) und eben erwähnten Phononen verwenden können. In einem zweiten Schritt konnten sie nachweisen, dass sie mit diesem Interface einzelne Phononen erzeugen konnten und dass diese sich wie Teilchen verhalten. Hierfür verwendeten sie eine bekannte Testmethode aus der Quantenoptik.