Die Quantelung der Energie ist eine fundamentale Grundlage der Quantenphysik und unseres heutigen Weltbilds. Entdeckt hat sie der deutsche Physiker Max Planck im Jahr 1900, als er feststellte, dass Atome Energie nur in diskreten „Portionen“ abgeben oder aufnehmen können. Als Reaktion auf eine Anregung kommt es demnach zu einem Quantensprung – die Elektronen wechseln sprunghaft ihren Quantenzustand.
Sind auch mechanische Schwingungen gequantelt?
Doch während Quantensprünge für Atome, Ionen und elektromagnetische Wellen lange etabliert und nachgewiesen sind, blieben sie für einen anderen Bereich bisher bloße Theorie: den Schall. Für unsere Ohren erscheinen die von Luftdruckschwankungen erzeugten Schwingungen stufenlos: Der Ton eines angeschlagenen Gongs verklingt allmählich und nicht schrittweise. Doch auf kleinster Ebene müsste die Energie solcher mechanischen Schwingungen ebenfalls gequantelt sein – so die Theorie.
„Die Quantenmechanik sagt voraus, dass auch die Energie eines vibrierenden Objekts in diskrete Pakete unterteilt ist“, erklären Takuma Makihara von der Stanford University in Kalifornien und seine Kollegen. Doch bisher ist es nie gelungen, dies experimentell nachzuweisen. Der Grund: Um diese Quantelung zu beobachten, muss man den Energiezustand der mechanischen Schwingungen messen, ohne diesen gleichzeitig zu beeinflussen. Genau dies war jedoch mit gängigen Messmethoden lange unmöglich.
Mikroresonator und Qubit kombiniert
Das hat sich nun geändert. Makihara und sein Team haben einen Versuchsaufbau entwickelt, bei dem ein supraleitendes Quantenbit als Messhelfer dient. Im Experiment dient ein zwischen zwei Nanosäulen gespannter Dünnfilm aus Lithiumniobat als schwingendes Messobjekt. Das kristalline Band ist so strukturiert, dass es als Mikroresonator für die Vibrationen dient. Dieser steht auf einem supraleitenden Schaltkreis, der das Mess-Qubit erzeugt.
Das Qubit ist so mit dem Mikroresonator gekoppelt, dass es das Phonon messen kann – die kollektive, koordinierte Schwingung der Atome im Kristall. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass der Resonator lange genug schwingt und dass das Qubit dabei quantenphysikalisch mit ihm gekoppelt bleibt. „Wir mussten unsere Prozesse ständig weiterentwickeln, um das schwingende Objekt mit dem Qubit zu verbinden, ohne dass wir eines der beiden Subsysteme ruinieren“, berichtet Makihara.
Durch diese Optimierungen konnten die Physiker ihre Messzeit auf zwei Millisekunden ausdehnen und in dieser Zeit den Energiezustand des Phonons hunderte Male messen.
Eindeutige Sprünge erkennbar
Das Ergebnis: Schon in den Rohdaten des Mess-Qubits waren klar erkennbare Sprünge zu erkennen. Vertiefende statistische Auswertungen bestätigten dies: „Die resultierenden Wahrscheinlichkeitsverteilungen zeigen eindeutige Quantensprünge zwischen 1 und 0, ähnlich wie sie bei Quantensprüngen von Photonen auftreten“, schreiben Makihara und seine Kollegen. „Bei einem klassischen Oszillator würden wir stattdessen beim Abklingen der Energie eine glatte, allmähliche Verschiebung in der Messstatistik sehen.“
Damit bestätigt das Experiment die theoretischen Vorhersagen, nach denen auch der Schall und mechanische Schwingungen einer Quantelung unterliegen. „Diese diskontinuierlichen Übergänge sind eine eindrucksvolle Manifestation der Quantenmechanik bei einem massereichen, schwingenden Objekt“, konstatieren die Physiker. Sie belegen, dass sich das Phänomen der Quantensprünge auch auf mechanische Systeme übertragen lässt.
Diese Erkenntnis und die im Experiment erzielte Kopplung von Qubits mit Mikroresonatoren könnten auch ganz praktischen Nutzen haben, wie Makihara und sein Team erklären. Mögliche Anwendungen sehen sie bei Quantensensoren, aber auch bei der Fehlerkorrektur von Quantencomputern.
Quelle: Takuma Makihara (Stanford University, USA) et al., Science, 2026; doi: 10.1126/science.aeh7535
