Zusammenfassung:
Einem internationalen Spitzenforschungsteam ist ein Meilenstein auf dem Gebiet der Quantenphysik gelungen. Zum ersten Mal wurde der gesamte Prozess eines einzelnen Phonons (Phonon, die kleinste Grundeinheit der Schallenergie) von der Existenz bis zur vollständigen Dämpfung und dem Verschwinden im Labor in Echtzeit und zerstörungsfrei beobachtet. Dieses experimentelle Ergebnis füllt nicht nur die Beobachtungslücke in der gegenseitigen Transformation zwischen makroskopischen Schallwellen und mikroskopischer Quantenmechanik, sondern liefert auch ein neues experimentelles Paradigma für den Entwurf zukünftiger Quantencomputerarchitektur und Quantensensoren.
In der Welt der mikroskopischen Physik wird Licht in Form von Photonen quantisiert, während der Schall, der durch die kollektive Schwingung von Atomen in festen Materialien übertragen wird, in Phononen quantisiert wird. Obwohl die moderne Physik die Existenz von Phononen seit langem theoretisch vorhersagt und indirekt bestätigt, ist es äußerst schwierig, die dynamischen Veränderungen einzelner Phononen in Experimenten zu erfassen und kontinuierlich zu verfolgen. Phononen sind äußerst anfällig für Störungen durch thermische Schwankungen in der Umgebung und mechanische Vibrationen, und ihre Energie ist äußerst schwach. Herkömmliche Messmethoden zerstören sie oft im Moment der Entdeckung, sodass ihre Entwicklung nicht aufgezeichnet werden kann.
Um dieses Problem zu lösen, konstruierten Forscher ein hochempfindliches hybrides supraleitendes Quantensystem in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen. In dem Experiment verwendeten die Wissenschaftler präzisionsgefertigte supraleitende Qubits als nicht-invasive Sonden, um eine starke Kopplung mit einem einzelnen hochfrequenten Schwingungsmodus zu erreichen, der in einem mikroskopischen akustischen Resonator gefangen ist. In dieser Konfiguration kann das System den Zustand des akustischen Resonanzhohlraums mithilfe der zerstörungsfreien Quantenmessung (QND) kontinuierlich überwachen und so die mikroskopische Flugbahn eines einzelnen Schallquants genau aufzeichnen, das vom Material absorbiert und zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig zerstreut wird, ohne das Phonon selbst zu zerstören.
Physikexperten sagten, dass die Möglichkeit, einzelne Phononen in Echtzeit zu verfolgen, bedeutet, dass die Quantenakustikforschung (Quantum Acoustics) in eine neue Phase der hochpräzisen Steuerung eingetreten ist. Phononen haben kürzere Wellenlängen und extrem geringe Lichtausbreitungsverzögerungen als Photonen, was sie zu einem idealen Medium für die Verbindung verschiedener Quantensysteme wie Spin und supraleitender Schaltkreise macht. Die Beherrschung des mikroskopischen Mechanismus der Phononenerzeugung, -entwicklung und -vernichtung hat weitreichenden wissenschaftlichen Wert und Anwendungsaussichten für die Entwicklung von Quantenspeichern mit ultrahoher Dichte auf der Grundlage akustischer Oberflächenwellen, die Überwindung des Problems der Quantendekohärenz und die Entwicklung der nächsten Generation hochempfindlicher Quantensensoren.
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