Dank Akustik Quantenatome miteinander reden hören

Was passiert, wenn ein Quantenphysiker beim Versuch, dicht gepackte Atome zu untersuchen, von den Grenzen der Quantenmechanik frustriert ist? An der EPFL erhält man ein Metamaterial, ein künstlich hergestelltes Material, das exotische Eigenschaften aufweist.

Dieser frustrierte Physiker ist der Doktorand Mathieu Padlewski. In Zusammenarbeit mit Hervé Lissek und Romain Fleury vom EPFL-Labor für Wellentechnik hat Padlewski ein neuartiges akustisches System entwickelt, um kondensierte Materie und ihre makroskopischen Eigenschaften zu erforschen und dabei die extrem empfindliche Natur von Quantenphänomenen zu umgehen. Darüber hinaus kann das akustische System so angepasst werden, dass Eigenschaften untersucht werden können, die über die Festkörperphysik hinausgehen. Die Ergebnisse sind in Physical Review B veröffentlicht.

«Wir haben im Wesentlichen einen von der Quantenmechanik inspirierten Spielplatz gebaut, der zur Untersuchung verschiedener Systeme angepasst werden kann. Unser Metamaterial besteht aus hochgradig abstimmbaren aktiven Elementen, die es uns ermöglichen, Phänomene zu synthetisieren, die über den Bereich der Natur hinausgehen», sagt Padlewski. «Zu den möglichen Anwendungen gehören die Manipulation von Wellen und die Lenkung von Energie für die Telekommunikation, und der Aufbau könnte eines Tages Anhaltspunkte dafür liefern, wie man zum Beispiel Energie aus Wellen gewinnen kann.»

Schrödingers Katze, das Quantenrätsel

In der Quantenmechanik ist die Katze in der Kiste sowohl tot als auch lebendig, bis man in das System eingreift, indem man es misst, was in diesem Fall durch Öffnen der Kiste geschieht. Aus einer reinen Quantenperspektive betrachtet, befindet sich die Katze in einer Überlagerung zweier wahrscheinlicher Zustände: einem wahrscheinlichen Zustand des Totseins und einem wahrscheinlichen Zustand des Lebendigseins, bis man die Schachtel öffnet, um zu beobachten, ob die Katze tatsächlich tot oder lebendig ist. Eine Katze kann nicht gleichzeitig tot und lebendig sein, und das ist der Kern von Schrödingers Katze, einem Gedankenexperiment, das Erwin Schrödinger 1935 erfand und das die Komplexität von Quantenkonzepten veranschaulicht, wenn man sie sich jenseits der Quantenskala vorstellt, z. B. auf der Ebene einer Katze.

Die empfindliche Natur der Quantenphysik, die die Beobachtung fester Zustände so schwierig macht, rührt von der Messung her, die das Quantensystem in einen Zustand zwingt, anstatt das System ununterbrochen in einer Überlagerung von Wahrscheinlichkeitszuständen existieren zu lassen. Die Physiker wissen jedoch, wie sie die elektronischen Zustände indirekt untersuchen und die entsprechenden Eigenschaften ableiten können.

Modellierung von Quantenphänomenen mit Schallwellen

Aber es gibt noch ein anderes Phänomen, für das Schrödingers Katze in der makroskopischen Welt durchaus Sinn macht, und zwar eines, mit dem wir interagieren können: Klang.

Nehmen wir zum Beispiel den Klang einer Stimme. Wir wissen, dass der Grund, warum die Stimme einer Person einzigartig und reichhaltig ist, darin liegt, dass wir das gesamte Spektrum der Frequenzen hören. Das Frequenzspektrum ist charakteristisch für eine bestimmte Stimme, aber es erklärt auch, warum ein Klavier seine einzigartige Klangfarbe hat oder warum eine Trompete anders klingt als eine Posaune. Im Prinzip können wir gleichzeitig die Grundfrequenz, auch Grundton genannt, und alle höheren Frequenzen, die so genannten Obertöne, hören. Um es mit den Worten der Quantenphysik auszudrücken: Wir hören eine Überlagerung vieler Zustände auf einmal. Oder um es mit Schrödingers Katze zu sagen: Die Katze ist sowohl tot als auch lebendig, und wir können sie hören!

«Quantenwahrscheinlichkeitswellen sind nun einmal Wellen – warum sollte man sie nicht mit Schall modellieren?», sagt Padlewski: «Die elektronischen Zustände eines Festkörpers direkt und ohne Störung zu untersuchen, wäre so, als würde man einen Blinden ohne Stock durch eine belebte Strasse gehen lassen. Aber in der Akustik können wir Wellen direkt untersuchen, in Phase und Amplitude, ohne den Zustand zu zerstören - das ist schön.»

Entwicklung eines akustischen Metamaterials

Das an der EPFL gebaute akustische Metamaterial besteht aus einer Reihe von «akustischen Atomen», d. h. 16 kleinen Würfeln, die durch Öffnungen miteinander verbunden sind, um die Platzierung mehrerer Lautsprecher oder Mikrofone zu ermöglichen. Die Lautsprecher erzeugen Schallwellen, die sich kontrolliert durch die Reihe der akustischen Atome ausbreiten sollen, die Mikrofone messen die Schallwellen zur Rückkopplungskontrolle. Die Würfel können als Bausteine für den Aufbau komplexerer Systeme betrachtet werden, die über eine einfache Linie hinausgehen.

«Wenn man die Cochlea, das für das Hören zuständige Organ des Ohrs, betrachtet, ähnelt sie in ihrer Struktur und Funktionsweise unserem aktiven akustischen Metamaterial», sagt Lissek: «Die Cochlea besteht aus einer perfekten Reihe von Zellen, die verschiedene Frequenzen verstärken. Unser Metamaterial könnte möglicherweise so eingestellt werden, dass es auf die gleiche Weise funktioniert und Hörprobleme wie Tinnitus untersucht werden können.»

Auf dem Weg zu einem quanteninspirierten analogen Rechnen

Padlewski möchte die Metamaterial-Bausteine auch nutzen, um zu erforschen, wie man einen der ersten akustischen Analogcomputer bauen kann, der nicht trennbare Zustände erzeugen kann. Inspiriert von der Arbeit von Pierre Deymier von der Universität Arizona wäre dieser Computer im Wesentlichen ein akustisches Äquivalent eines Quantencomputers. Er würde die direkte Beobachtung von überlagerten Zuständen ermöglichen, ohne das System zu stören, da akustische Wellen nicht so empfindlich sind wie Quantenwellen.

«Ein analoger akustischer Quantencomputer wäre eher wie ein Kristallgitter – eine periodische Anordnung von Zellen, so wie Atome in Kristallen angeordnet sind», fügt Padlewski hinzu, «der akustische Ansatz zur Quantenberechnung hat das Potenzial, einen alternativen Weg zur gleichzeitigen Verarbeitung grosser Informationsmengen zu bieten.»