Die Grenzen der Messgenauigkeit

  • 09. October 2013

Verschränkte Quanten helfen elektromagnetisches Feld mit Präzision jenseits des Standard-Quantenlimits zu messen.

Der der Quantenmechanik innewohnende Zufall ist nicht nur eine Herausforderung für unser Weltbild, sondern hat auch ganz praktische Auswirkungen: Er begrenzt die Präzision von Atominterferometern, die zu den empfindlichsten Messinstrumenten gehören, die es derzeit gibt. Um beispielsweise den Wert eines elektromagnetischen Feldes präzise zu bestimmen, muss man über die Messergebnisse vieler Atome mitteln. Durch die Mittelung verringern sich die zufälligen Schwankungen zwar stark, sie lassen sich aber nicht vollständig eliminieren. Das verbleibende „Quantenrauschen“ und die damit verbundene Begrenzung der Messgenauigkeit bezeichnet man als Standard-Quantenlimit der Interferometrie.

Abb.: Eine Wolke von verschränkten Atomen ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips. (Bild: C. Ockeloen, P. Treutlein, U. Basel)

Abb.: Eine Wolke von verschränkten Atomen ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips. (Bild: C. Ockeloen, P. Treutlein, U. Basel)

Forschern der Universität Basel in der Arbeitsgruppe von Philipp Treutlein ist es nun gelungen, das Quantenrauschen in einem Atominterferometer zu verringern und so die Präzision der Messung zu erhöhen. Dazu machten sich die Physiker einen weiteren quantenmechanischen Effekt zunutze, die Verschränkung.

Während Atome in einem gewöhnlichen Interferometer voneinander unabhängig sind – das Messresultat eines Atoms wird durch die anderen Atome nicht beeinflusst – so verhalten sich miteinander verschränkte Atome als eine kollektive Einheit. Das Quantenrauschen der einzelnen Atome ist korreliert und kann durch geschickte Wahl des Messverfahrens unter das Standard-Quantenlimit gedrückt werden.

„Wir erzeugen den verschränkten Zustand, indem wir Atome sehr kontrolliert miteinander kollidieren lassen“, erklärt Caspar Ockeloen, der das Experiment durchgeführt hat. „Danach bestrahlen wir die Atome mit Mikrowellen, um die interferometrische Messung durchzuführen.“ Am Ende der Messung beobachten die Forscher ein Quantenrauschen, das um einen Faktor 1,6 kleiner ist als das Standard-Quantenlimit.

Als erste Anwendung haben die Forscher ein Mikrowellenfeld in der Nähe der Oberfläche eines Mikrochips vermessen. Die dabei erzielte Präzision überstieg die bisheriger Messverfahren um mehrere Größenordnungen. Solche hochauflösenden elektromagnetischen Feldmessungen könnten zum Beispiel für das Testen von integrierten Schaltkreisen für die Kommunkationstechnologie von Interesse sein, wie man sie in Mobiltelefonen und Computern findet.

Technologische Anwendungen quantenphysikalischer Effekte werden weltweit von einer wachsenden Zahl von Forschungsgruppen untersucht. Verbesserte Atominterferometer und andere Präzisionsmessinstrumente sind ein Beispiel für eine solche Quantentechnologie.

Neben technologischen Anwendungen erhoffen sich die Wissenschaftler von ihren Experimenten auch ein besseres Verständnis des Phänomens der Verschränkung. In ihren Experimenten haben die Basler Forscher daher auch eine genaue Charakterisierung des verschränkten Quantenzustands der Atome mittels tomographischer Methoden vorgenommen.

U. Basel / PH

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