04.09.2023

Quantensensoren empfindlicher machen

Präzision von Quantensensoren durch Verschränkung über nahreichweitige Wechselwirkungen verbessert.

Metrologische Institutionen auf der ganzen Welt verwalten unsere Zeit. Als Basis dienen ihnen Atomuhren, die natürliche Schwingungen von Atomen als Taktgeber nutzen. Diese Uhren, die für Anwendungen wie Satelliten­navigation oder Datenübertragung von zentraler Bedeutung sind, wurden in letzter Zeit durch die Verwendung immer höherer Schwingungs­frequenzen in optischen Atomuhren verbessert. Nun zeigen Wissenschaftler der Universität Innsbruck und vom Institut für Quanten­optik und Quanten­information (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften um Christian Roos, wie eine spezielle Art der Verschränkungs­erzeugung die Präzision von Messungen, wie sie optische Atomuhren nutzen, weiter verbessern kann.

 

Abb.: Die Innsbrucker Physiker verschränkten alle Teilchen in der Kette...
Abb.: Die Innsbrucker Physiker verschränkten alle Teilchen in der Kette miteinander und erzeugten einen gequetschten Quanten­zustand. (Bild: S. Burrows / Rey Group / JILA)

Beobachtungen von Quantensystemen unterliegen immer einer gewissen statistischen Schwankungsbreite. „Dies liegt in der Natur der Quantenwelt“, erklärt Johannes Franke aus dem Team von Christian Roos. „Verschränkung kann uns helfen, diese Fehler zu reduzieren.“ Mit Unterstützung der Theoretikerin Ana Maria Rey vom JILA in Boulder, USA, haben die Innsbrucker Physiker die Messgenauigkeit an einem verschränkten Ensemble von Teilchen im Labor getestet. In einer Vakuumkammer aufgereihte Ionen wurden dabei mit Hilfe von Lasern in Wechsel­wirkung gebracht und verschränkt.

„Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen nimmt mit dem Abstand zwischen den Teilchen ab. Wir nutzen Austauschwechselwirkungen, damit das System sich kollektiver verhält“, erläutert Raphael Kaubrügger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. So wurden alle Teilchen in der Kette miteinander verschränkt und ein sogenannter gequetschter Quantenzustand erzeugt. An diesem konnten die Physiker zeigen, dass der Messfehler durch Verschränkung von 51 Ionen gegenüber einzelnen Teilchen ungefähr halbiert werden kann. Bisher beruhte die verschränkungs­gestützte Sensorik hauptsächlich auf unendlich-reichweitigen Wechsel­wirkungen, was ihre Anwendbarkeit auf bestimmte Quanten-Plattformen beschränkte.

Die Innsbrucker Quantenphysiker konnten mit ihren Experimenten nachweisen, dass Verschränkung Quantensensoren noch sensibler macht. „Wir haben für unsere Experimente einen optischen Übergang genutzt, der auch in Atomuhren verwendet wird“, sagt Christian Roos. „Diese Technologie könnte auf Gebieten zu Verbesserungen führen, in denen derzeit Atomuhren verwendet werden, so zum Beispiel in der satelliten­gestützten Navigation oder der Datenübertragung. Darüber hinaus könnten diese fortschrittlichen Uhren neue Möglichkeiten in Bereichen wie der Suche nach dunkler Materie oder der Bestimmung der Abweichungen von Natur­konstanten eröffnen.

Mit seinem Team will Christian Roos die neue Methode nun auch in zweidimensionalen Ionen-Ensembles testen. Die aktuellen Ergebnisse wurden nun in Nature veröffentlicht. In der gleichen Ausgabe erschienen weitere Arbeiten, in denen Wissenschaftler mit neutralen Atomen zu sehr ähnlichen Ergebnissen kamen. Die Forschungen in Innsbruck wurden unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Industriellen­vereinigung Tirol finanziell gefördert.

U. Innsbruck / DE

 

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