Verschränkte Atome überwinden Grenzen der Messgenauigkeit
Atominterferometer gehören zu den präzisesten Instrumenten, um Gravitation, elektromagnetische Felder und andere fundamentale Grössen zu messen. Ihre Genauigkeit ist jedoch durch Quantenrauschen begrenzt. Physikern der Universität Basel ist es nun gelungen, das Rauschen mittels verschränkter Quantenteilchen zu verringern und so ein elektromagnetisches Feld mit einer Präzision jenseits des Standard-Quantenlimits zu vermessen.
Eine Wolke von verschränkten Atomen (blau) ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips.
Caspar Ockeloen/Philipp Treutlein, Universität Basel
In der Quantenphysik ist der Zufall ein wesentliches Prinzip der Natur. Das Ergebnis einer Messung an einem mikroskopischen Teilchen lässt sich nicht genau, sondern lediglich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Diese Zufälligkeit ist nicht nur eine Herausforderung für unser Weltbild, sondern hat auch ganz praktische Auswirkungen: sie 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, müssen die Messergebnisse einer grossen Zahl von Atomen gemittelt werden. Durch die Mittelung werden die zufälligen Schwankungen zwar stark verringert, aber nicht vollständig eliminiert. Das verbleibende «Quantenrauschen» und die damit verbundene Begrenzung der Messgenauigkeit bezeichnet man als Standard-Quantenlimit der Interferometrie.
Weniger Rauschen durch verschränkte Atome
Forschern der Universität Basel in der Arbeitsgruppe von Prof. 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 sogenannte 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 im Rahmen seiner Doktorarbeit 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.
Auf dem Weg zur Quantentechnologie
Als erste Anwendung haben die Forscher ein Mikrowellenfeld in der Nähe der Oberfläche eines Mikrochips vermessen. Die dabei erzielte Präzision übersteigt 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.
Verschränkung besser verstehen
Neben technologischen Anwendungen erhoffen sich die Wissenschaftler von ihren Experimenten auch ein besseres Verständnis des Phänomens der Verschränkung. «Verschränkung ist eines der faszinierendsten Phänomene der Physik – Albert Einstein hat sie einmal als ‹spukhafte Fernwirkung› bezeichnet», erläutert Dr. Roman Schmied, einer der Koautoren der Studie. «Über ein halbes Jahrhundert später gibt es immer noch viele offene Fragen, wie man Verschränkung quantifiziert und nachweist.» In ihren Experimenten haben die Basler Forscher daher auch eine genaue Charakterisierung des verschränkten Quantenzustands der Atome mittels tomographischer Methoden vorgenommen.
Originalveröffentlichung
Caspar F. Ockeloen, Roman Schmied, Max F. Riedel, and Philipp Treutlein Quantum Metrology with a Scanning Probe Atom Interferometer Physical Review Letters; published 3 October 2013
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