06.01.2021 • Photonik

Abstände extrem genau messbar

Neue Methode zur Abstandsmessung überwindet Auflösungsgrenze.

Wissenschaftlern der Universität Paderborn ist es gelungen, eine neue Methode zur Abstands­messung für Systeme wie GPS zu entwickeln, deren Ergebnisse so präzise wie nie zuvor sind. Mithilfe der Quantenphysik hat das Team um Leibniz-Preisträgerin Christine Silberhorn die Auflösungs­grenze überwunden, die etwa für das bekannte Rauschen auf Fotos sorgt. 

Abb.: Eine neue Methode erlaubt es, die unter­schiedlichen Hellig­keiten, den...
Abb.: Eine neue Methode erlaubt es, die unter­schiedlichen Hellig­keiten, den Zeitunterschied und die Ankunfts­zeit zweier Licht­pulse gleichzeitig zu bestimmen. (Bild: B. Mazhiqi, U. Paderborn)

Physiker Benjamin Brecht erklärt das Problem der Auflösungs­grenze: „Bei Laser-Abstands­messungen registriert ein Detektor zwei unter­schiedlich helle Lichtpulse mit einem Zeitunterschied. Je genauer die Zeitmessung, desto genauer die Längen­bestimmung. Solange der Zeitabstand der Pulse größer ist als die Pulse lang sind, ist alles in Ordnung“. Proble­matisch wird es dem Wissenschaftler zufolge, wenn die Pulse überlappen: „Dann kann man den Zeitunterschied mit herkömm­lichen Methoden nicht mehr messen. Man nennt das Auflösungs­grenze und kennt den Effekt von Fotos. Sehr kleine Strukturen oder Texturen können nicht mehr aufgelöst werden. Das ist dasselbe Problem – nur im Ort anstatt in der Zeit.“

Eine weitere Heraus­forderung liegt laut Brecht darin, die unter­schiedlichen Hellig­keiten, den Zeit­unterschied und die Ankunftszeit zweier Lichtpulse gleichzeitig zu bestimmen. Aber genau das ist den Wissenschaftlern gelungen – und zwar „mit quanten­limitierter Genauigkeit“, wie Brecht hinzufügt. Zusammen mit Partnern aus der Tschechischen Republik und Spanien konnten die Paderborner Physiker diese Werte selbst dann noch messen, als die Pulse zu neunzig Prozent überlappten. Dazu Brecht: „Das ist weit jenseits der Auflösungs­grenze. Die Genauigkeit der Messung ist 10.000-mal besser. Mit Methoden der Quanten­informations­theorie kann man neuartige Messungen finden, die die Beschränkungen von etablierten Methoden überwinden“.

Die Ergebnisse könnten die Genauigkeit von Anwendungen wie Lidar, einer Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, und GPS künftig deutlich verbessern. Bis zur Marktreife werde es aber noch dauern, gibt Brecht zu bedenken.

U. Paderborn / JOL

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