Schwache Signale detektieren 13.03.2019, 07:05 Uhr

Mit einem Quantenradio das Rätsel der Gravitation lösen?

Niederländische Forscher haben eine Art Quantenradio entwickelt. Das Verfahren könnte unter anderem in der Astronomie oder in der Medizin eingesetzt werden oder zur Erforschung der Schwerkraft.

Foto des Chips

Der Quanten-Chip ist im Quadrat nur 1 x 1 Zentimeter groß und ermöglicht das Herausfiltern kleinster Energieeinheiten.

Foto: TU Delft

Schwache Funksignale kennt jeder aus dem Alltag: Das Lieblingslied im Radio verwandelt sich plötzlich in ein unangenehmes Rauschen, oder das Arbeiten am Wohnzimmertisch funktioniert nicht, weil der WLAN-Router im anderen Zimmer steht und keine tragfähige Verbindung zum Internet aufgebaut wird. In solch einem Fall würde der Nutzer darüber nachdenken, beispielsweise einen WLAN-Repeater zu installieren, um das Signal zu verstärken. Die Forscher der Technologischen Universität Delft sind den umgekehrten Weg gegangen. Sie haben sich überlegt, dass es mehr Sinn machen könnte, den Empfänger zu verbessern. Dafür haben sie einen extrem sensiblen Schaltkreis entwickelt, bei dem es sich eigentlich um eine Art Quantenradion handelt.

Störungen durch niedriges Energielevel vermeiden

Schwache Funksignale sind in manchen Situationen ärgerlich, in anderen stellen sie ein regelrechtes Problem da. Sie sorgen beispielsweise unter Umständen dafür, dass die Bilder eines Magnetresonanz-Tomografen (MRT) nicht gelingen. Oder sie machen es Wissenschaftlern schwer, die mit Radioteleskopen den Weltraum untersuchen wollen. In beiden Fällen könnte die neue Technik zu einer Unterstützung werden. Das Grundproblem der schwachen Signale liegt in den Photonen selbst. Sie sind sehr energiearm und deswegen anfällig für Störungen, etwa durch die Umgebungstemperatur. Ein Ansatz ist es daher, diese störenden Photonen auszuschließen, indem man das System herunterkühlt oder, anders gesagt, einen kalten Schaltkreis verwendet.

Das Team um Gary Steele und Mario Gely hat dafür einen Schaltkreis genutzt, der normalerweise als Resonator dient, also bei bestimmten Frequenzen – in diesem Fall 173 Gigahertz – mitschwingt. Basis ist ein Josephson-System, bei dem zwei Supraleiter durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Die Teilchen tunneln dabei durch die Barriere von einem Supraleiter in den anderen. Diesen Schaltkreis kühlten die Wissenschaftler extrem herunter, bis sich die meisten Teilchen auf dem für sie niedrigst möglichen Energielevel befanden (Grundzustand).

Detektion der schwächsten Signale der Quantenmechanik

Denn detektieren wollten die Wissenschaftler die schwächsten Signale, die in der Theorie der Quantenmechanik möglich sind – winzige Energiequanten. Mario Gely erklärt das Prinzip: „Sagen wir, ich schiebe ein Kind auf der Schaukel an. Wenn ich möchte, dass das Kind in der klassischen Theorie der Physik ein bisschen höher fliegt, kann ich ihm einen kleinen Schubs geben, damit es mehr Geschwindigkeit aufnimmt, was nichts anderes als Energie ist. Die Quantenmechanik sagt etwas anderes: Ich kann die Energie des Kindes nur um genau einen Quantenschritt erhöhen. Es ist nicht möglich, den Schubs nur halb so stark auszuführen.“ Gleichzeitig sind diese einzelnen Quantenschritte so klein, dass sie von dem Kind gar nicht bemerkt würden.

Genauso verhält es sich mit Funkwellen. Das Forscherteam in Delft ist es mit seinem Schaltkreis jedoch gelungen, diese kleinsten Energiebausteine herauszufiltern. Denn in dem extrem gekühlten Schaltkreis herrschten quantenphysikalische Bedingungen (Fock-Zustand). Die Forscher beendeten im nächsten Schritt die künstliche Kühlung und konnten dann analysieren, wie das System dynamisch mit seiner Umgebung und vor allem der Temperatur interagierte und auf diese Weise faktisch die Quantenstruktur der Radiophotonen messen. Sie denken, dass sich aus diesen Erkenntnissen Technologien ableiten lassen, die eine Entwicklung neuartiger Radioteleskope oder MRTs ermöglichen. Langfristig ist ihr Ziel sogar noch größer.

Experimente zu Quantenmechanik und Schwerkraft wären möglich

Eines der großen Rätsel der Physik ist nämlich die Gravitation, beziehungsweise die Einordnung der Schwerkraft in die Theorien der Quantenphysik. „Mit unserem Quantenradio wollen wir versuchen, die Quantenschwingungen schwerer Objekte abzuhören, zu kontrollieren und schließlich experimentell zu erkunden, was passiert, wenn wir Quantenmechanik und Schwerkraft zusammenbringen“, sagt Gely. „Solche Experimente sind schwer, aber wenn wir erfolgreich sind, könnten wir testen, ob wir eine Quantenüberlagerung der Raumzeit selbst schaffen können, ein neues Konzept, mit dem wir unser Verständnis von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativität überprüfen könnten.“

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Von Nicole Lücke

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