Spukhafte Fernwirkung verbessert Präzisionsinstrumente

  • 13. October 2011

Mit Einsteins Hilfe tricksen Forscher den Einfluss des Schrotrauschens aus.

In einer Atomuhr pendeln die Atome stufenlos zwischen zwei inneren Zuständen hin und her. Zur Bestimmung der Zeit müssen die Schwingungen in einem bestimmten Zeitraum gezählt werden. Dies erfordert, den inneren Zustand aller Atome zu messen. Während der Messung verhalten sich die Atome unabhängige voneinander und nehmen einen der beiden inneren Zustände ein, wie ein Würfel, der entweder eine gerade oder eine ungerade Augenzahl zeigt. Allerdings kommen wegen der Statistik der endlichen Anzahl der Würfel häufig kleine Abweichungen von der 50-Prozent-Wahrscheinlichkeit vor – Schrotrauschen –, was die Genauigkeit einer Atomuhr limitiert. Diese Genauigkeitsgrenze lässt sich nur mithilfe von Eigenarten der Quantenmechanik überwinden.

Ultrakalte Atome werden mit horizontalen Magnetorientierungen hergestellt (mittlere Atomwolke), verschränkt und dann an derselben Position umorientiert. Ein angelegtes Magnetfeld trennt die in die Vertikale gekippten Atome, es entstehen zwei weitere Wolken. Die Zahl der Atome in der rechten Wolke entspricht exakt der Zahl der Atome in der linken Wolke

Abb.: Ultrakalte Atome werden mit horizontalen Magnetorientierungen hergestellt (mittlere Atomwolke), verschränkt und dann an derselben Position umorientiert. Ein angelegtes Magnetfeld trennt die in die Vertikale gekippten Atome, es entstehen zwei weitere Wolken. Die Zahl der Atome in der rechten Wolke entspricht exakt der Zahl der Atome in der linken Wolke. (Bild: C. Klempt, Quest)

In der Quantenmechanik lassen sich zwei Atome miteinander verschränken, sie verhalten sich dann wie ein Würfelpaar, das wie von Geisterhand immer genau eine gerade und eine ungerade Zahl zeigt. Die physikalische Grenze des Schrotrauschens ist somit überwunden. Experimente in Hannover haben jetzt gezeigt, dass sich solche verschränkten Paare von Atomen bei extrem kalten Temperaturen hergestellen lassen. Die Wissenschaftler kühlten dazu einige zehntausend Rubidium-Atome mit Lasern bis fast an den absoluten Temperaturnullpunkt. Die kalten Rubidium-Atome verhalten sich wie kleine Magnete, bei denen der innere Zustand durch die magnetische Ausrichtung definiert ist. Zunächst mit horizontaler Ausrichtung vorbereitet, bilden sie dann verschränkte Paare mit je einem ab- und einem aufwärts gerichteten Atom, die sich für hochgenaue Messungen jenseits der Grenzen des Schrotrauschens eignen.

Hochpräzise Atomuhren sind für die Verbesserung einer Vielzahl von modernen Entwicklungen wichtig, darunter das Global Positioning System (GPS), die präzise Synchronisation der Stromnetze oder des Internets. Auch im Bereich der Erdbeobachtung lassen sich damit Messungen der Beschleunigung, Rotation oder Schwerkraft mit Hilfe von verschränkten Atomen deutlich verbessern.

U. Aarhus / Quest / OD

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