Quantenalgorithmen lassen Uhren genauer ticken

An der Universität Innsbruck haben Physiker um Peter Zoller und Thomas Monz den ersten programmier­baren Quanten­sensor entwickelt und im Labor getestet. Dazu haben sie eine Methode aus der Quanten­informations­verarbeitung auf ein Messproblem angewendet. Das innovative Verfahren eröffnet die Perspektive für Quanten­sensoren, deren Präzision bis dicht an die durch die Natur­gesetze vorgegebene Grenze reicht.

Atomuhren sind die besten Sensoren, die die Menschheit je gebaut hat. Heute findet man sie in staatlichen Eich­ämtern genauso wie in den Satelliten von Navigations­systemen. Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daran, die Präzision von Atomuhren weiter zu optimieren. Nun hat die Forschungs­gruppe um den Innsbrucker Theoretiker Peter Zoller ein neues Konzept entwickelt, mit dem Quanten­sensoren noch präziser betrieben werden können, unabhängig davon, welche technische Plattform für die Messung genutzt wird. „Wir beantworten die Frage, wie präzise ein Sensor mit den vorhandenen Kontroll­möglichkeiten sein kann und liefern ein Rezept, wie dies erreicht werden kann“, erläutern Denis Vasilyev und Raphael Kaubrügger aus der Gruppe um Peter Zoller am Institut für Quantenoptik und Quanten­information der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck.

Die Physiker nutzen dafür eine Methode aus der Quanten­informations­verarbeitung: Variations-Quanten­algorithmen beschreiben eine Schaltung von Quanten­gattern, die von freien Paramatern abhängen. Durch Optimierungs­routinen findet der Sensor selbständig die besten Einstellungen für ein optimales Ergebnis. „Diese Methode haben wir auf ein Problem aus der Metrologie angewendet“, erklären Vasilyev und Kaubrügger. „Das ist insofern spannend, weil historisch gesehen Fortschritte in der Atomphysik durch die Metrologie motiviert waren und daraus wiederum die Quanteninformationsverarbeitung entstanden ist. Hier schließt sich also ein Kreis“, freut sich Peter Zoller. Mit dem neuen Verfahren können die Wissenschaftler Quanten­sensoren so weit optimieren, dass sie die technisch bestmögliche Präzision erreichen.

Schon länger ist bekannt, dass Atomuhren durch die Ausnutzung quanten­mechanischer Verschränkung noch deutlich genauer laufen könnten. Es fehlte bisher aber an Methoden, mit denen robuste Verschränkung für solche Anwendungen realisiert werden kann. Die Innsbrucker Physikern nutzten nun maßgeschneiderte Verschränkung, die genau abgestimmt auf die realen Anforderungen ist. Sie erzeugten mit ihrer Methode genau jene Kombination aus Quanten­zustand und Messungen, die für Quanten­sensoren optimal sind. Damit konnten sie die Präzision des Sensors bis dicht an das nach den Naturgesetzen mögliche Optimum bringen, mit nur leicht erhöhtem Mehraufwand. „Bei der Entwicklung von Quanten­computern haben wir gelernt, maßgeschneiderte verschränkte Zustände zu erzeugen“, sagt Christian Marciniak vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck. „Dieses Wissen nutzen wir nun, um bessere Sensoren zu bauen.“

Praktisch umgesetzt wurde dieses theoretische Konzept zum ersten Mal auch an der Universität Innsbruck. Auf einem Ionenfallen-Quanten­computer haben die Physiker auf Basis von variationellen Quanten­rechnungen Frequenz­messungen durchgeführt. Weil die verwendeten Wechselwirkungen in linearen Ionenfallen auf klassischen Computern noch relativ einfach zu simulieren sind, konnten die Theorie-Kollegen die dafür notwendigen Parameter auf einem Super­computer der Universität Innsbruck überprüfen.

Obwohl der experimentelle Aufbau keineswegs perfekt war, stimmten die Ergebnisse überraschend gut mit den theoretisch vorhergesagten Werten überein. Da solche Simulationen nicht für alle Sensoren möglich sind, haben die Wissenschaftler einen zweiten Ansatz demonstriert: Sie nutzten Methoden zur automatischen Optimierung der Parameter ohne Vorwissen. „Ähnlich wie beim maschinellen Lernen findet der programmierbare Quanten­computer seinen optimalen Modus als hochpräziser Sensor selbständig“, schildert der Experimentalphysiker Thomas Feldker den zugrunde­liegenden Mechanismus.

„Mit unserem Konzept wird es möglich, den Vorteil von Quantentechnologien gegenüber klassischen Computern an einem für die Praxis relevanten Problem zu demonstrieren“, betont Peter Zoller. „Wir haben mit unserer variationellen Ramsey-Interferometrie eine entscheidende Komponente von quanten­verbesserten Atomuhren demonstriert. Der nächste Schritt besteht nun darin, dies in einer dedizierten Atomuhr umzusetzen. Was bisher nur für Rechnungen fragwürdiger praktischer Relevanz gezeigt wurde, könnte schon in naher Zukunft mit einem programmier­baren Quanten­sensor erstmals demonstriert werden – der reale Quantenvorteil.“

U. Innsbruck / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  C. D. Marciniak et al.: Optimal metrology with programmable quantum sensors, Nature 603, 604 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04435-4
  R. Kaubruegger et al.: Quantum Variational Optimization of Ramsey Interferometry and Atomic Clocks, Phys. Rev. X 11, 041045 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041045
• Quantenoptik und Spektroskopie (R. Blatt), Universität Innsbruck