Fadels Gruppe schuf einen Zustand, in dem der Kristall eine Überlagerung aus einem einzelnen Phonon und null Phononen enthielt. „Der Kristall befindet sich gewissermaßen in einem Zustand, in dem er gleichzeitig stillsteht und vibriert“, sagt Fadel. Dazu erzeugen sie mithilfe von Mikrowellenpulsen einen winzigen supraleitenden Schaltkreis, der ein Kraftfeld erzeugt, das sie hochpräzise steuern können. Dieses Kraftfeld drückt ein kleines Stück Material, das mit dem Kristall verbunden ist, um einzelne Phononen in Schwingung zu versetzen. Als bisher größtes Objekt, das Quantenverrücktheiten aufweist, treibt es das Verständnis der Physiker über die Schnittstelle zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt voran.
Konkret berührt das Experiment ein zentrales Rätsel der Quantenmechanik, das als „Messproblem“ bekannt ist. Nach der gängigsten Interpretation der Quantenmechanik zerstört die Messung eines Objekts in Überlagerung mit einem makroskopischen Gerät (etwas relativ Großes, wie einer Kamera oder einem Geigerzähler) die Überlagerung. Wenn Sie beispielsweise im Doppelspaltexperiment ein Elektron mit einem Gerät nachweisen, sehen Sie es nicht in allen möglichen Wellenpositionen, sondern scheinbar zufällig an einer bestimmten Stelle.
Andere Physiker haben jedoch Alternativen zur Erklärung der Quantenmechanik vorgeschlagen, die keine Messung beinhalten, sogenannte Kollapsmodelle. Diese gehen davon aus, dass die Quantenmechanik, wie sie derzeit akzeptiert wird, eine Näherungstheorie ist. Wenn Objekte größer werden, verhindert ein noch unentdecktes Phänomen, dass die Objekte in Überlagerungszuständen existieren – und dass es dies und nicht die Messung von Überlagerungen ist, die uns daran hindert, ihnen in der Welt um uns herum zu begegnen. Durch die Übertragung der Quantenüberlagerung auf größere Objekte schränkt Fadels Experiment ein, was dieses unbekannte Phänomen sein kann, sagt Timothy Kovachy, Professor für Physik an der Northwestern University, der nicht an dem Experiment beteiligt war.
Die Vorteile der Kontrolle einzelner Schwingungen in Kristallen gehen über die bloße Untersuchung der Quantentheorie hinaus – es gibt auch praktische Anwendungen. Forscher entwickeln Technologien, die Phononen in Objekten wie Fadels Kristall als präzise Sensoren nutzen. Beispielsweise können Objekte, die einzelne Phononen beherbergen, die Masse extrem leichter Objekte messen, sagt der Physiker Amir Safavi-Naeini von der Stanford University. Extrem leichte Kräfte können Veränderungen in diesen empfindlichen Quantenzuständen bewirken. Wenn beispielsweise ein Protein auf einem Kristall landete, der dem von Fadel ähnelte, könnten Forscher die kleinen Änderungen in der Schwingungsfrequenz des Kristalls messen, um die Masse des Proteins zu bestimmen.
Darüber hinaus sind Forscher daran interessiert, Quantenschwingungen zur Speicherung von Informationen für Quantencomputer zu nutzen, die in Überlagerung kodierte Informationen speichern und manipulieren. Schwingungen halten in der Regel relativ lange an, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für Quantenspeicher macht, sagt Safavi-Naeini. „Schall breitet sich nicht im luftleeren Raum aus“, sagt er. „Wenn eine Vibration auf der Oberfläche oder im Inneren eines Objekts auf eine Grenze trifft, bleibt sie dort einfach stehen.“ Diese Eigenschaft von Schall speichert die Informationen tendenziell länger als bei Photonen, die üblicherweise in Prototypen von Quantencomputern verwendet werden, obwohl Forscher noch Phononen-basierte Technologie entwickeln müssen. (Wissenschaftler erforschen immer noch die kommerziellen Anwendungen von Quantencomputern im Allgemeinen, aber viele glauben, dass ihre erhöhte Rechenleistung bei der Entwicklung neuer Materialien und Arzneimittel nützlich sein könnte.)
In zukünftigen Arbeiten möchte Fadel ähnliche Experimente an noch größeren Objekten durchführen. Er möchte auch untersuchen, wie die Schwerkraft Quantenzustände beeinflussen könnte. Die Gravitationstheorie der Physiker beschreibt das Verhalten großer Objekte präzise, während die Quantenmechanik mikroskopisch kleine Objekte präzise beschreibt. „Wenn man an Quantencomputer oder Quantensensoren denkt, handelt es sich zwangsläufig um große Systeme. Daher ist es wichtig zu verstehen, ob die Quantenmechanik bei Systemen größerer Größe versagt“, sagt Fadel.
Während Forscher tiefer in die Quantenmechanik eintauchen, hat sich ihre Seltsamkeit von einem Gedankenexperiment zu einer praktischen Frage entwickelt. Das Verständnis, wo die Grenzen zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt liegen, wird die Entwicklung zukünftiger wissenschaftlicher Geräte und Computer beeinflussen – sofern dieses Wissen gefunden werden kann. „Das sind grundlegende, fast philosophische Experimente“, sagt Fadel. „Aber sie sind auch wichtig für zukünftige Technologien.“