Forschende der Universität Basel und des Laboratoire Kastler Brossel in Paris haben einen bahnbrechenden Fortschritt in der Quantenmetrologie erzielt. Sie zeigen, wie quantenmechanische Verschränkung von räumlich getrennten Atomwolken genutzt werden kann, um mehrere physikalische Parameter gleichzeitig genauer zu messen.
Diese Entwicklung könnte die Genauigkeit von Präzisionsinstrumenten wie Atomuhren und Gravimetern erheblich steigern und neue Möglichkeiten für die Messung komplexer Felder eröffnen.
Wichtige Erkenntnisse
- Quantenverschränkung verbessert die Genauigkeit von Messungen.
- Räumlich getrennte Atomwolken ermöglichen präzisere Multiparametermessungen.
- Die Methode reduziert quantenmechanische Messunsicherheiten.
- Potenzielle Anwendungen in Atomuhren und Gravimetern.
Das Phänomen der Verschränkung
Die Verschränkung ist ein zentrales Phänomen der Quantenmechanik. Sie beschreibt, wie zwei oder mehr Quantenobjekte so miteinander verbunden sein können, dass ihre Zustände voneinander abhängen. Eine Messung an einem Objekt beeinflusst scheinbar sofort den Zustand des anderen, selbst wenn sie räumlich getrennt sind.
Dieses Phänomen, auch als Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon bekannt, wurde 2022 mit dem Physiknobelpreis gewürdigt. Es stellt eine der faszinierendsten und gleichzeitig rätselhaftesten Eigenschaften der Quantenwelt dar.
Faktencheck: Quantenverschränkung
- Definition: Zwei oder mehr Quantenobjekte sind so miteinander verbunden, dass ihre Eigenschaften nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können.
- Besonderheit: Messungen an einem verschränkten Objekt beeinflussen den Zustand des anderen Objekts sofort, unabhängig von der Entfernung.
- Nobelpreis: Der experimentelle Nachweis dieses Effekts wurde 2022 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.
Präzisionsmessungen durch Verschränkung
Prof. Dr. Philipp Treutlein von der Universität Basel und Prof. Dr. Alice Sinatra vom Laboratoire Kastler Brossel (LKB) in Paris leiteten das Forschungsteam. Sie haben gezeigt, dass die Verschränkung räumlich getrennter Quantenobjekte die Messgenauigkeit für mehrere physikalische Parameter gleichzeitig erhöht.
Philipp Treutlein erklärt:
„Die Quantenmetrologie, also die Ausnutzung von Quanteneffekten zur verbesserten Messung physikalischer Grössen, ist mittlerweile ein etabliertes Forschungsgebiet.“
Vor etwa 15 Jahren führte sein Team erste Experimente durch. Dabei wurden die Spins von extrem kalten Atomen miteinander verschränkt. Dies ermöglichte eine genauere Messung der Ausrichtung atomarer Spins, vergleichbar mit kleinen Kompassnadeln.
Erweiterung auf räumlich getrennte Atomwolken
Der entscheidende neue Schritt ist die räumliche Trennung der Atome. Treutlein präzisiert:
„Diese Atome befanden sich allerdings alle am selben Ort. 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.“
Diese räumliche Trennung ist entscheidend für die Messung von Feldänderungen über eine Distanz. Wenn ein elektromagnetisches Feld räumlich variiert, können verschränkte, getrennte Atomspins diese Variation präziser erfassen. Die Verschränkung reduziert die quantenmechanisch bedingten Messunsicherheiten. Sie schaltet auch Störeffekte aus, die alle Atomspins gleichermassen beeinflussen würden.
Hintergrund: Atomspins
Atomspins sind eine fundamentale Eigenschaft von Atomen, die man sich als winzige Magnete vorstellen kann. Ihre Ausrichtung kann durch äussere Felder beeinflusst werden. Die genaue Messung dieser Ausrichtung ist entscheidend für viele Präzisionsinstrumente in der Physik.
Experimenteller Aufbau und Ergebnisse
Dr. Yifan Li, Postdoktorandin in Treutleins Gruppe, betont die Neuartigkeit des Ansatzes:
„Bislang hat noch niemand eine solche Quantenmessung mit räumlich getrennten verschränkten Atomwolken durchgeführt, und auch der theoretische Rahmen für solche Messungen war noch unklar.“
Das Team verschränkte zunächst die Atomspins in einer einzelnen Wolke. Dann spalteten sie diese Wolke in drei untereinander verschränkte Teile auf. Mit dieser Anordnung konnten sie die Verteilung eines elektromagnetischen Feldes mit wenigen Messungen deutlich genauer bestimmen. Dies übertraf die Genauigkeit, die ohne räumliche Verschränkung möglich gewesen wäre.
Messverbesserung
Die Forschenden konnten die Messunsicherheit für die räumliche Verteilung eines elektromagnetischen Feldes deutlich minimieren. Dies gelang durch die Verwendung von drei räumlich getrennten, verschränkten Atomwolken.
Anwendungen in der Praxis
Die Forschungsergebnisse haben direkte Auswirkungen auf bestehende Präzisionsinstrumente. Lex Joosten, Doktorand in der Basler Gruppe, erklärt:
„Unsere Messprotokolle können direkt auf bereits bestehende Präzisionsinstrumente, wie beispielsweise Gitter-Atomuhren, angewendet werden.“
In Gitter-Atomuhren werden Atome in einem optischen Gitter eingefangen. Diese Atome dienen als extrem präzise Taktgeber. Die Basler Methoden können bestimmte Messfehler reduzieren, die durch die Verteilung der Atome über das Gitter entstehen. Dies führt zu einer noch genaueren Zeitbestimmung.
Verbesserung von Gravimetern
Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld sind Atominterferometer. Diese Instrumente messen die Erdanziehung. Für bestimmte Anwendungen ist die räumliche Änderung der Erdanziehung von besonderem Interesse. Die neue Verschränkungs-Taktik könnte diese Änderungen präziser als bisher messen.
Die erhöhte Genauigkeit hat das Potenzial, die Forschung in der Geodäsie und anderen Bereichen zu revolutionieren, die auf hochpräzise Gravitationsmessungen angewiesen sind.
Blick in die Zukunft
Die Veröffentlichung der Ergebnisse im Fachjournal Science markiert einen wichtigen Meilenstein. Sie öffnet die Tür für weitere Forschungen und praktische Anwendungen.
Die Fähigkeit, mehrere physikalische Parameter gleichzeitig mit erhöhter Genauigkeit zu messen, könnte nicht nur bestehende Technologien verbessern, sondern auch die Entwicklung völlig neuer Sensoren und Messverfahren ermöglichen. Die Quantenmetrologie zeigt damit einmal mehr ihr enormes Potenzial für die Wissenschaft und Technik.
