Zwischen Kristallen, Katzen und Quanten

Spezifische Forschung f¨¹r grundlegende Fragen

Die Quantenforschung, die im n?chsten Jahr den 100. Geburtstag feiert, erlebte besonders in den letzten Jahren weltweit einen Wachstumsschub - nicht zuletzt wegen des Wettlaufs um leistungsf?hige Supercomputer, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen.

Die ?Hybrid Quantum Systems Group?, die Chu 2019 an der ETH Z¨¹rich gr¨¹ndete, forscht aber nach wie vor in einem hochspezialisierten Bereichs. ?F¨¹r die Experimente in unserem Labor verwenden wir un¨¹bliche Materialien, besondere physische Objekte und aussergew?hnliche Techniken. Es gibt weltweit nur ganz wenige Gruppen, die mit etwas ?hnlichem arbeiten?, sagt Chu.

In der Quantenforschung sei vieles noch unbekannt, sagt die Professorin f¨¹r Festk?rperphysik. Zum Beispiel, ob sich die Quantenmechanik auch auf Alltagsgegenst?nde anwenden l?sst oder nicht. Wir gehen davon aus, dass Schr?dingers ber¨¹hmtes Gedankenexperiment in der realen Welt nicht m?glich ist, weil nat¨¹rlich niemand je eine Katze tot und gleichzeitig lebendig gesehen habe, sagt Chu. ?Aber die Antwort auf die Frage, ob eine Katze in einer ?berlagerung sein kann, kennt bisher niemand mit Bestimmtheit?, sagt die Quantenphysikerin und lacht.

Ein weiteres R?tsel sei, wie die Quantenmechanik mit anderen Kr?ften, zum Beispiel der Schwerkraft, interagiere. ?Dies sind zwei der gr?ssten Fragen in der Physik, auf die wir derzeit noch keine schl¨¹ssigen Antworten haben. Unsere Forschung versucht, darauf Antworten zu finden.?

Schr?dingers Katze im Labor hergestellt

Yiwen Chu und ihrem Team gelang es im vergangenen Jahr zum ersten Mal, eine besonders schwere Schr?dinger-Katze herzustellen: mit einem schwingenden Kristall, der die Katze darstellt, einem supraleitenden Schaltkreis, der die Rolle des urspr¨¹nglichen Atoms ¨¹bernimmt, und einer Schicht aus piezoelektrischem Material, das ein elektrisches Feld erzeugt, wenn der Kristall w?hrend der Schwingungen seine Form ?ndert. Den Forschenden gelang es, dass der Kristall gleichzeitig in zwei Richtungen schwingt ¨C zum Beispiel hoch/runter und runter/hoch. Diese beiden Richtungen stehen f¨¹r die Zust?nde ?lebendig? oder ?tot? der Katze.

Diese Erkenntnisse k?nnten dazu dienen, Quantentechnologien leistungsf?higer zu machen. So k?nnte etwa in Qubits gespeicherte Quanteninformation robuster gemacht werden, indem man anstelle der bislang verwendeten einzelnen Atome oder Ionen Katzen-Zust?nde benutzt, die aus einer riesigen Zahl an Atomen in einem Kristall bestehen.

Vibrierende Kristalle

Chus Gruppe arbeitet daran, die Masse dieser Kristall-Katzen nun weiter zu erh?hen. Dies erlaube ihnen, die Gr¨¹nde f¨¹r das Verschwinden von Quanteneffekten in der makroskopischen Welt echter Katzen besser zu verstehen, sagt die experimentelle Quantenphysikerin.

Die zurzeit gr?sstm?glichen Objekte, die sich quantenmechanisch verhalten, sind Kristalle von einem halben Millimeter Gr?sse. Noch nie konnten in gr?sseren Objekten Quanten¨¹berlagerungen nachgewiesen werden.

Quantenph?nomene zu beobachten, ist grunds?tzlich schwierig, weil Quantenzust?nde sehr fragil sind. Je gr?sser ein Objekt, desto komplexer wird es, sicherzustellen, dass alle Komponenten ihre Quanteneigenschaft beibehalten. Wenn auch nur ein Qu?ntchen Energie aus dem System entweicht, kann das den Quantenzustand zerst?ren.

Kristalle eignen sich f¨¹r die Experimente deshalb so gut, weil sie Energie sehr lange speichern k?nnen. Deshalb werden Quarzkristalle auch seit je her in Uhren verwendet. ?Wir nutzen diese Schwingungen im Kristall, weil sie die Energie und die Quantenzust?nde, also die Quanteninformation, sehr lange halten k?nnen, was uns Zeit gibt, tats?chlich etwas damit zu tun?, sagt Chu.

Ihre Leidenschaft f¨¹r hybride Quantenmechanik ist zu sp¨¹ren ¨C und wirkt ansteckend. Die 38-J?hrige ist kaum zu stoppen, wenn es um ihr Fachgebiet geht. F¨¹r Quantenphysik begeisterte sie sich schon w?hrend des Studiums: ?Mir gefiel die praktische Arbeit im Labor. Aber auch die Konzepte der Quantenphysik faszinierten mich.?

Der Moment, in dem es Klick machte

Ihre ersten Lebensjahre verbrachte Chu in Chinas Hauptstadt Peking. Mit acht Jahren zog sie mit ihren Eltern nach Pittsburgh (USA), wo sie aufwuchs. W?hrend ihres Doktorats in Harvard 2014 erforschte sie, wie sich Diamanten in Quantenoptik-Systemen verhalten. Als Postdoktorandin in Yale begann Chu, sich mit der Mechanik in Kristallen und hybriden Quantensystemen zu besch?ftigen ¨C aber eigentlich eher per Zufall. ?Ich unterhielt mich in einer Pause mit Forschenden einer anderen Gruppe, deren Labor sich zuf?llig im selben Flur befand wie unser Quantenoptiklabor. Ich war fasziniert und hatte die Idee, das, woran ich damals arbeitete, mit ihren Forschungsfeldern nichtlineare Optik und Optomechanik zu kombinieren.?

Die Wissenschaftlerin begab sich damit auf unbekanntes Terrain. ?F¨¹r dieses neuartige System mussten Objekte zusammengestellt werden, mit denen ich nicht vertraut war, und ich wusste nicht, ob es am Ende funktioniert. Ich erinnere mich, wie ich im Labor sass und Messungen durchf¨¹hrte. Und wie die Daten mir best?tigten, dass das Ger?t so funktionierte, wie ich es auf dem Papier entworfen hatte?, sagt Chu. Das sei sehr aufregend gewesen. Die Laboraufzeichnungen mit der Notiz ?Ja, es funktioniert!? habe sie immer noch.

Sie habe damals gedacht, das sei etwas Interessantes und Neues, an dem sie ein paar Jahre lang arbeiten k?nne. ?Ich hatte ja keine Ahnung, wie weit ich damit kommen w¨¹rde. Und jetzt hat sich daraus dieses ganze Forschungsprogramm entwickelt?, sagt sie und wirkt dabei immer noch erstaunt.

?Erwartungen ¨¹bertroffen?

An die ETH Z¨¹rich zu kommen sei ein einfacher Entscheid gewesen, sagt die Quantenforscherin. ?Viele arbeiten hier in ?hnlichen Bereichen, und wir k?nnen voneinander profitieren.? Wichtig sei aber auch die Gr¨¹ndung des Quantum Centers der ETH 2021 gewesen. ?Dieses Forschungszentrum bringt die Gemeinschaft n?her zusammen?, sagt Chu.

Ihr Kolleg:innen sch?tzen die Zusammenarbeit mit ihr. ?Yiwen hatte bereits eine gl?nzende Karriere, bevor sie 2019 zu uns kam?, sagt Atac Imamoglu, Professor am Institut f¨¹r Quantenelektronik. Die Erwartungen an sie seien entsprechend hoch gewesen. ?Ihre Leistungen an der ETH, die Arbeit in einem sehr kompetitiven Umfeld und die Einschr?nkungen durch die Pandemie w?hrend des Aufbaus ihres Labors haben mich und meine Kollegen jedoch umgehauen. Wir freuen uns sehr, dass sie in unserer Abteilung arbeitet.? Imamoglu war es denn auch, der seine Kollegin f¨¹r den Latsis-Preis nominierte.

?Anerkennung f¨¹r ganzes Team?

Die junge Professorin erhielt 2021 den Sackler-Preis in Physik. Nun kommt am 16. November der Latsis-Preis der ETH Z¨¹rich hinzu. Chu erh?lt den mit 25'000 Schweizer Franken dotierten Preis f¨¹r ?ihre herausragenden Leistungen auf dem Gebiet der hybriden Quantensysteme?, wie es in der Laudatio heisst.

Sie f¨¹hle sich sehr geehrt, sagt Chu. Es sei sch?n zu wissen, dass ihr Fachgebiet auf Interesse st?sst, vielleicht sogar bei einem breiteren Publikum. Die Auszeichnung geb¨¹hre aber dem ganzen Team, f¨¹gt sie an. ?Ich bin zwar diejenige, die den Preis gewinnt, aber die Arbeit wurde von so vielen Menschen in meiner Gruppe geleistet. Der Preis ist eine Anerkennung f¨¹r die Arbeit aller.?

Ein Schritt aus der Komfortzone

Mittlerweile hat sich die Quantenphysikerin einer neuen Herausforderung gestellt: Sie ist im Sommer Mutter geworden. ?Es ist sch?n, etwas ganz anderes zu wagen?, sagt Chu. In ihrem Forschungsalltag laufe vieles in einem eingespielten Rhythmus ab. Die Geburt ihres Sohnes bringe sie und ihren Partner, der auch Physiker ist, nun wieder aus ihrer Komfortzone. ?Ein Kind grosszuziehen, liegt ausserhalb unserer Kontrolle. Das belebt und ermutigt mich dazu, neue Dinge auszuprobieren und Risiken einzugehen.?

Das wirke sich auch in ihren Arbeitsalltag aus, sagt die Professorin, die soeben aus dem Mutterschaftsurlaub an die ETH zur¨¹ckgekehrt ist. ?Ich sp¨¹re viel Elan und Freude, was meine berufliche T?tigkeit angeht.?