Quantenmechanisches Fadenpendel

Quantensensoren können Empfindlichkeiten erreichen, die nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht möglich sind. Möglich wird das unter anderem durch das Phänomen der Superposition. Sowohl die Erzeugung als auch die Kontrolle solcher nicht-klassischer Zustände ist extrem aufwändig. Die hohe Sensitivität für Messungen macht sie außerdem anfällig gegenüber äußeren Störungen. Zudem müssen nicht-klassische Zustände präzise auf eine bestimmte Messgröße optimiert werden.

„Leider geht das oft zu Lasten einer erhöhten Ungenauigkeit in einer anderen relevanten Messgröße“, erklärt Fabian Wolf von der Uni Hannover. Dieses Prinzip ist eng verknüpft mit der Heisenbergschen Unschärferelation. Wolf und seine Kollegen von der Uni Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und des Nationalen Instituts für Optik in Florenz stellen jetzt eine Methode vor, die auf einem nicht-klassischen Zustand basiert, der für zwei Messgrößen gleichzeitig optimiert wurde.

Das Experiment kann als die quantenmechanische Version eines Fadenpendels veranschaulicht werden. Die beiden optimierten Messgrößen sind in diesem Fall die Amplitude und die Frequenz des Pendels. Das Pendel wurde dabei durch ein einzelnes Magnesium-Ion realisiert, das in einer Ionenfalle eingeschlossen wurde. Durch Wechselwirkung mit Laserlicht konnte das Magnesium-Ion bis in den quantenmechanischen Grundzustand gekühlt werden. Von dort aus wurde ein Fockzustand der Bewegung erzeugt und das Ein-Atom-Pendel mit einer externen Kraft in Schwingung gebracht. Amplitude und Frequenz konnten anschließend mit einer Empfindlichkeit gemessen werden, die mit einem klassischen Pendel unerreichbar wären. Im Gegensatz zu vorherigen Experimenten war dies für beide Messgrößen der Fall ohne dass der nicht-klassische Zustand angepasst werden musste.

Mit seinem neuen Ansatz konnte das Team die Messzeit bei gleicher Auflösung halbieren, beziehungsweise bei gleicher Messzeit die Auflösung verdoppeln. Hohe Auflösungen sind besonders wichtig für Spektroskopietechniken, die auf einer Änderung des Bewegungszustands beruhen. Im konkreten Fall wollen die Forscher einzelne Molekül-Ionen untersuchen, indem Sie diese mit einem Laser bestrahlen und darüber eine Bewegung des Moleküls anregen. Das neue Verfahren soll eine Untersuchung des Zustands des Moleküls ermöglichen, bevor dieser vom Laser durch zu lange Bestrahlung gestört wird.

„Präzisionsmessungen an Molekülen könnten uns beispielsweise etwas über die Wechselwirkung von herkömmlicher und dunkler Materie verraten und damit einen wichtigen Beitrag zur Aufdeckung eines der größten Rätsel der aktuellen Physik leisten", so Wolf. Das erstmalig demonstrierte Messprinzip könnte auch in optischen Interferometern wie zum Beispiel Gravitationswellendetektoren die Auflösung verbessern und damit tiefere Einblicke in die Frühzeit des Universums ermöglichen.

LUH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Wolf et al.: Motional Fock states for quantum-enhanced amplitude and phase measurements with trapped ions, Nat. Commun. 10, 2929 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10576-4
• Theoretische Quantenoptik  (K. Hammerer), Leibniz-Universität Hannover
• Institute for Experimental Quantum Metrology, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig