Chaotische Messdynamik

Quantensensoren erfassen Größen wie Temperatur, Magnet­feld­stärke oder Beschleuni­gungen sehr genau. Und sie arbeiten noch exakter, wenn ihre wird. Das zeigen Lukas Fiderer und Daniel Braun von der Uni Tübingen in einer Studie, in der sie eine Methode ent­wickelten, mit der sich die Mess­genauig­keit hoch­präziser Sensoren um weitere siebzig Prozent ver­bessern ließ. Die Wissen­schaftler nutzten in einer Computer­simu­la­tion schwache Laser­pulse, um die Mess­dynamik eines Magnet­feld-Sensors zu stören.

Quantenmetrologie ist ein Teilgebiet der Metrologie, also der Wissen­schaft des Messens. Sie unter­scheidet sich von her­kömm­lichen Mess­methoden, weil hier quanten­mecha­nische Systeme wie beispiels­weise Atome oder Photonen als Sensoren ein­ge­setzt werden, die nur mit den Gesetzen der Quanten­mechanik beschrieben werden können. Her­kömm­liche klassische Sensoren folgen einer regu­lären, vor­her­seh­baren Mess­dynamik. Sie sind so kon­stru­iert, dass Chaos ver­mieden wird, da sonst die Messung von Para­metern unvor­her­seh­bar oder gar unmög­lich wird. Quanten­mecha­nische Sensoren folgen aber anderen Gesetzen: Das Quanten­chaos muss hier keines­wegs mit Unvor­her­seh­bar­keit ein­her­gehen.

Die Wissenschaftler berechneten deshalb, wie sich die Mess­genauig­keit ändert, wenn sich der Quanten­sensor nicht regulär ver­hält, sondern zuneh­mend chaotisch. Dafür beschrieben sie ein physi­ka­lisches Modell und simu­lierten dann einen spezi­ellen Quanten­sensor, einen Atom­dampf-Magneto­meter, und dessen Mess­dynamik im Computer. Diese bereits sehr genauen Magnet­feld-Sensoren enthalten in einer Glas­zelle einen Dampf aus Alkali-Atomen. Befindet sich die Zelle in einem Magnet­feld, drehen sich die Atome wie kleine Kompass­nadeln. Indem man mit einem Laser die Rich­tung der Drehung aus­misst, wird das Magnet­feld gemessen. „In der Simu­la­tion haben wir die Atome während des Mess­vor­gangs mit schwachen Laser­pulsen beschossen, damit die Mess­dynamik chaotisch wird“, erklärt Fiderer.

Als Ergebnis habe man eine Verbesserung der Mess­genauig­keit um siebzig Prozent berechnen können. Ein ent­schei­dender Vor­teil sei, dass die chao­tische Dynamik so ein­ge­stellt werden könne, dass der Sensor robuster gegen­über störenden Wechsel­wirkungen mit der Um­ge­bung sei. Die Wissen­schaftler haben den neuen Magnet­feld­sensor bereits als Patent ange­meldet. „Wir hoffen, dass unser Modell bald experi­me­tell reali­siert wird und gehen davon aus, dass die Methode Anwen­dung in ver­schie­denen Quanten­sensoren findet. So könnte sie ein Bau­stein auf dem Weg zu genau­eren und robus­teren Sensoren sein.“

U. Tübingen / RK