18.02.2026 • Quantenphysik

Quantenmessungen mit verschränkten Atomwolken

Mit räumlich getrennten verschränkten Wolken lässt sich die Messunsicherheit für die räumliche Verteilung eines elektromagnetischen Felds minimieren.

Ein Forschungsteam um Philipp Treutlein von der Universität Basel und Alice Sinatra vom Laboratoire Kastler Brossel (LKB) in Paris hat gezeigt, wie sich mithilfe quantenmechanischer Verschränkung mehrere physikalische Parameter gleichzeitig genauer messen lassen. „Die Quantenmetrologie, also die Ausnutzung von Quanteneffekten zur verbesserten Messung physikalischer Größen, ist mittlerweile ein etabliertes Forschungsgebiet“, sagt Treutlein. Er und seine Mitarbeitenden hatten vor fünfzehn Jahren einige der ersten Experimente durchgeführt, in denen die Spins von extrem kalten Atomen miteinander verschränkt wurden. Diese Verschränkung erlaubte es, die Ausrichtung der atomaren Spins genauer zu messen, als dies mit unabhängigen, nicht verschränkten Spins möglich gewesen wäre.

Mit drei Atomwolken, deren Spins (blau) auf Distanz miteinander verschränkt... — Mit drei Atomwolken, deren Spins (blau) auf Distanz miteinander verschränkt sind, können die Forschenden die räumliche Änderung eines elektromagnetischen Felds ausmessen.
Quelle: Enrique Sahagún, Scixel / U Basel, Dept Physik

„Diese Atome befanden sich allerdings alle am selben Ort“, erklärt Treutlein: „Nun haben wir dieses Konzept dahingehend erweitert, dass wir die Atome in bis zu drei räumlich getrennte Wolken aufteilen. Dadurch wirken die Effekte der Verschränkung wie beim EPR-Paradoxon auf Distanz.“ Die Idee dabei: Möchte man beispielsweise die räumliche Änderung eines elektromagnetischen Felds messen, so könnte man dazu einen verschränkten Zustand von räumlich getrennten Atomspins verwenden. Ähnlich wie bei der Messung an einem einzigen Ort könnte die Verschränkung dann die durch die Quantenmechanik bedingten Messunsicherheiten verringern und zudem andere Störeffekte, die auf alle Atomspins gleich einwirken, weitgehend ausschalten.

„Bislang hat noch niemand eine solche Quantenmessung mit räumlich getrennten verschränkten Atomwolken durchgeführt, und auch der theoretische Rahmen für solche Messungen war noch unklar“, sagt Yifan Li, die als Postdoktorandin in Treutleins Gruppe an dem Experiment beteiligt war. Gemeinsam mit den Kollegen vom LKB untersuchten Treutlein und sein Team, wie sich mit solchen verschränkten Wolken die Messunsicherheit für die räumliche Verteilung eines elektromagnetischen Feldes minimieren lässt.

Dazu verschränkten sie zunächst die Atomspins in einer einzelnen Wolke miteinander und spalteten diese Wolke dann in drei untereinander verschränkte Teile auf. Mit wenigen Messungen konnten sie die Feldverteilung dann deutlich genauer bestimmen, als dies ohne räumliche Verschränkung zu erwarten gewesen wäre.

„Unsere Messprotokolle können direkt auf bereits bestehende Präzisionsinstrumente, wie beispielsweise Gitter-Atomuhren, angewendet werden“, sagt Lex Joosten, Doktorand in der Basler Gruppe. In solchen Uhren werden Atome in einem durch Laserstrahlen erzeugten optischen Gitter eingefangen und als äußerst präzise „Uhrwerke“ genutzt. Mit den Methoden der Basler Forschenden könnten bestimmte Messfehler reduziert werden, die durch die Aufteilung der Atome über das Gitter entstehen, was zu einer genaueren Zeitbestimmung führt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Atominterferometer, mit denen die Erdanziehung gemessen werden kann. Für einige Anwendungen dieser auch als Gravimeter bezeichneten Instrumente ist dabei insbesondere die räumliche Änderung der Erdanziehung interessant, die ebenfalls mit der Verschränkungs-Taktik genauer als bislang gemessen werden könnte. [U Basel / dre]