Physik Journal, März 2016

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B R E N N P U N K T
© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Physik Journal 15 (2016) Nr. 3 21
des mechanischen Oszillators von
40 bis 50 Phononen – eine Laser-
kühlung auf etwa 0,1 bis 0,2 Pho-
nonen, also in den Quanten-
grundzustand der mechanischen
Bewegung. Da das in den Resonator
gestreute Strahlungsfeld Informati-
on über die mechanische Bewegung
enthält, lassen sich daraus – unter
Kenntnis der Systemdynamik – die
Varianzen Δx und Δp rekonstru-
ieren und indirekt die minimalen
Unschärfen des Grundzustands
bestimmen. Der zweite wichtige
Prozess ist die resonante Erhö-
hung der Stokes-Raman-Streuung
durch Treiben des Schwingkreises
bei ωc + ωm. Dadurch kommt es
zu korrelierten Anregungen von
Photonen des Resonatorfelds und
Phononen der mechanischen Be-
wegung. In der Quantenoptik ist
diese Wechselwirkung als „Down-
Conversion“ bekannt und dient
beispielsweise zur Erzeugung von
Verschränkung.
Laufen beide Prozesse gleich-
zeitig ab, d. h. pumpt man den
Schwingkreis mit beiden verstimm-
ten Mikrowellenfeldern gleichzeitig
(Abb. 1), resultiert eine Wechselwir-
kung, die den mechanischen Erzeu-
gungs- und Vernichtungsoperator
miteinander koppelt. Das ist die
Grundvoraussetzung für gequetsch-
te Zustände. Allerdings „versteckt“
sich die Quetschung im Grundzu-
stand dieser Wechselwirkung und
kommt erst durch Laserkühlung
ans Licht: Dazu muss das rot ver-
stimmte Pumpfeld, das für die La-
serkühlung verantwortlich ist, eine
höhere Leistung haben als das blau
verstimmte Pumpfeld. In den Ex-
perimenten lag das Verhältnis bei
10 : 1 bis 1,5 : 1. In anderen Worten:
Man kühlt das mechanische System
in den gequetschten Grundzustand.
Diese Idee des „Reservoir Enginee-
rings“ wurde vor über 20 Jahren zur
Quantenkontrolle einzelner Ionen
vorgeschlagen und realisiert [8]. Die
Ausweitung auf mikromechanische
Resonatoren [9] ist ein experimen-
teller Meilenstein in der Quanten-
kontrolle massiver Objekte.
Die beiden Forscherteams um
Keith Schwab am Caltech und
Mika Sillanpää in Aalto haben mit
sehr ähnlichen experimentellen
Systemen eine Quetschung um
jeweils rund 20 Prozent (1 dB) der
Nullpunktsfluktuationen erzeugt.
John Teufel und seine Kollegen am
NIST erzielten vergleichbare Wer-
te, konnten aber mit einer neuen
Messmethode zudem die Null-
punktsfluktationen messen und die
Quetschung damit absolut kalibrie-
ren. Sie erreichen dies durch einen
zweiten Mikrowellenresonator
mit Resonanzfrequenz ωc2 , der an
denselben mechanischen Resonator
gekoppelt ist. Zwei weitere, gleich-
stark verstimmte Mikrowellenfelder
(ωc2 ± ωm) erzeugen ein Strahlungs-
feld, das mit der mechanischen Fre-
quenz amplitudenmoduliert und
nur auf eine Quadratur der Bewe-
gung sensitiv ist. Diese Realisierung
einer zerstörungsfreien Quanten-
messung erlaubt es, die minimale
Unschärfe des Grundzustands der
Bewegung direkt zu messen.
In der Optik gelingt es mittler-
weile routinemäßig, Laserlicht um
90 Prozent bzw. 10 dB und mehr
zu quetschen. Das sollte prinzipi-
ell auch mit mikromechanischen
Systemen möglich sein. ImWesent-
lichen limitieren zwei Faktoren die
Experimente: Zum einen wird ein
Teil der Mikrowellenstrahlung im
supraleitenden Material absorbiert,
was die Strukturen bei zu großer
Pumpleistung so sehr aufheizt,
dass die Quetschung verloren geht.
Zum anderen führt mangelnde
Phasenstabilität zwischen den
Pumpfeldern zu einer langsamen
Rotation der Quetschung im Pha-
senraum, wodurch sich der Effekt
im Laufe einer längeren Messung
herausmittelt. Beide Faktoren sind
technischer Natur und sollten sich
im Laufe der Zeit verbessern lassen.
Eine weitere Herausforderung
besteht darin, die Methode auf
optomechanische Systeme zu über-
tragen, die mit Laserlicht getrieben
werden. Bei ihnen ist die Kopp-
lung an die mechanischen Moden
noch geringer. Allerdings gibt es
vielversprechende Strategien, die
Kopplung durch Strukturierung der
mikromechanischen Elemente zu
erhöhen. Dass gequetschtes Licht
die Messempfindlichkeit eines In-
terferometers verbessert, zeigten
Messungen an den Gravitations-
wellendektoren GEO600 und LIGO
[10].#) Nach den Erfolgen dieser
ersten drei Experimente ist es nur
eine Frage der Zeit, bis auch quan-
ten-„mechanische“ Quetschung
zum Standardwerkzeug einer ver-
besserten Quantensensorik wird.
Markus Aspelmeyer
[1] D. F. Walls, Nature 306, 141 (1983)
[2] C. Caves, Phys. Rev. D 23, 1693 (1981)
[3] R. E. Slusher et al., Phys. Rev. Lett. 55,
2409 (1985)
[4] E. E. Wollman et al., Science 349, 952
(2015)
[5] J.-M. Pirkkalainen et al., Phys. Rev. Lett.
115, 243601 (2015)
[6] F. Lecocqet al., Phys. Rev. X 5, 041037
(2015)
[7] M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg und
F. Marquardt, Rev. Mod. Phys. 86, 1391
(2014)
[8] J. I. Cirac et al., Phys. Rev. Lett. 70, 556
(1993)
[9] A. Kronwald et al., Phys. Rev. A 88,
063833 (2013)
[10] J. Abadie et al., Nat. Phys. 7, 962 (2011)
Prof. Dr. Markus
Aspelmeyer, Fakul-
tät für Physik, Uni
Wien, Boltzmann-
gasse 5, 1090 Wien,
Österreich
■ Von großen Zahlen
Wie viele Möglichkeiten gibt es, 128
Tennisbälle beliebig anzuordnen? For-
scher aus Cambridge bestimmten die
Antwort: etwa 10250. Diese Zahl ist viel
größer als die Zahl aller Teilchen im
Universum. Wichtiger als der Wert ist
die Tatsache, dass es überhaupt ge-
lang, das Problem zu lösen. Es ist we-
der möglich, alle Kombinationen
durchzuspielen noch sie zu speichern,
sodass die Forscher Kombinatorik und
Statistik einsetzten. Anwendungen fin-
den sich z. B. in der granularen Physik
zur Vorhersage von Lawinen.
S. Martiniani et al., Phys. Rev. E 93,
012906 (2016)
■ Von präzisen Uhren
Wissenschaftler der PTB haben zwei
Weltrekorde aufgestellt: Sie senkten
die Messunsicherheit Δ t/t einer Yb-Uhr
auf 3 · 10–18 und stabilisierten die Fre-
quenz einer Sr-Uhr auf Δ f/f = 8 · 10 –17.
Die Yb-Uhr basiert auf der extrem sch-
malen Resonanz eines einzelnen Yb+-
Ions. Die Sr-Uhr funktioniert dank
eines Lasersystems, das thermisch und
mechanisch gegen seine Umgebung
isoliert ist. Die hohe Genauigkeit ist
z. B. nötig, um die Feinstrukturkonstan-
te exakt zu bestimmen.
N. Huntemann et al., Phys. Rev. Lett.
116 , 063001 (2016) und A. Al-Masoudi et
al., Phys. Rev. A 92, 063814 (2015)
K U R Z G E F A S S T
#) vgl. dazu den Bild-
kasten auf S. 17