Genauer messen mit vernetzten Quantensensoren

Die Quanten­sensorik verspricht noch genauere Messungen physika­lischer Größen. Ein Team um Christian Roos hat nun an der Universität Innsbruck die Signale von bis zu 91 Quanten­sensoren miteinander verglichen und so das von Wechsel­wirkungen mit der Umgebung verursachte Rauschen erfolgreich unterdrückt. Mit der Methode der Korrelations­spektroskopie kann die Präzision von Sensor­netzwerken gesteigert werden.

Die in Quanten­technologien verwendeten quantenmechanischen Systeme, zum Beispiel einzelne Atome, sind sehr empfindlich: Jede Interaktion mit der Umgebung kann Änderungen hervorrufen, und somit zu Fehlern führen. Diese bemerkens­werte Empfind­lichkeit quanten­mechanischer Systeme gegenüber Umweltfaktoren kann aber auch ein Vorteil sein. Durch die Empfindlichkeit können Quantensensoren konventionelle Sensoren in der Präzision übertreffen, beispielsweise bei der Messung magne­tischer Felder oder der Gravitation. 

Die empfindlichen quantenmechanischen Eigenschaften, die für die Sensorik benötigt werden, können durch Rauschen überdeckt werden – verursacht durch schnelle Wechsel­wirkungen zwischen dem Sensor und der Umgebung, die die Informationen im Sensor stören und das Quantensignal unleserlich machen. Nun stellen Forschende um Christian Roos vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck gemeinsam mit Partnern in Israel und den USA eine Methode vor, wie diese Informationen mithilfe der „Korrelations­spektroskopie“ wieder zugänglich gemacht werden können. 

„Die Schlüsselidee ist hier, dass wir nicht nur einen einzelnen Sensor verwenden, sondern ein Netzwerk von bis zu 91 Sensoren, die jeweils aus einem einzelnen Atom bestehen“, sagt Helene Hainzer. „Da das Rauschen alle Sensoren gleichermaßen betrifft, können wir durch die Analyse gleich­zeitiger Änderungen in den Zuständen aller Sensoren das Umweltrauschen effektiv herausrechnen und die zu messenden Informationen wieder­herstellen. Dies ermöglicht es uns, Variationen des magnetischen Feldes in der Umgebung präzise zu messen, sowie den Abstand zwischen den Quanten­sensoren zu bestimmen.“ Darüber hinaus ist die Methode für verschiedene andere Sensor­aufgaben und innerhalb verschiedener experimenteller Plattformen anwendbar, was ihre Vielseitigkeit widerspiegelt. 

Korrelations­spektroskopie wurde bereits in der Vergangenheit mit zwei Atomuhren umgesetzt, was zu einer bis dahin unerreichten Genauigkeit in der Zeitmessung führte. „Unsere Arbeit ist die erste Anwendung dieser Methode für eine so große Anzahl von Atomen bzw. Sensoren“, sagt Christian Roos. „Tatsächlich haben wir über mehrere Jahre hinweg einen vollständig neuen experimentellen Aufbau entwickelt, um experimentelle Kontrolle über so viele Atome zu ermöglichen.“ Die Forschenden zeigen nun, dass die Präzision der durch­geführten Sensor-Messungen mit der Anzahl der Teilchen im Sensornetzwerk zunimmt. Bemerkenswert ist, dass Verschränkung – die üblicherweise verwendet wird, um die Genauigkeit von Quanten­sensoren zu erhöhen, die aber im Labor nur schwierig zu erzeugen ist – im Vergleich zu dem nun demonstrierten Multi-Sensorsystem keinen Vorteil bietet.

U. Innsbruck / JOL