Verschränkungsgestützte Sensorik ebnet den Weg für fortschrittliche Quantensensoren

Die Innsbrucker Physiker verschränkten alle Teilchen der Kette miteinander und erzeugten einen sogenannten komprimierten Quantenzustand. Bildnachweis: Stephen Burrows und die Ray/Gila Collection

Eine neue Forschungsstudie untersucht die kleinräumigen Wechselwirkungen, die Quantenverschränkung erzeugen.

Meteorologische Institutionen auf der ganzen Welt verwalten unsere Zeit mithilfe von Atomuhren, die auf den natürlichen Schwingungen der Atome basieren. Diese Uhren, die für Anwendungen wie Satellitennavigation oder Datenübertragung von zentraler Bedeutung sind, wurden kürzlich mit höheren Schwingfrequenzen als je zuvor bei optischen Atomuhren verbessert.

Nun zeigen Wissenschaftler der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Christian Ross, wie eine bestimmte Methode zur Erzeugung von Verschränkung zur weiteren Verbesserung genutzt werden kann Genauigkeit Von Messungen, die die Funktion der optischen Atomuhr ergänzen.

Reduzierung von Messfehlern

Beobachtungen von Quantensystemen unterliegen immer einer gewissen statistischen Unsicherheit. „Das liegt in der Natur der Quantenwelt“, erklärt Johannes Franke vom Christian-Ross-Team. „Verschränkung kann uns helfen, diese Fehler zu reduzieren.“

Mit Unterstützung der theoretischen Forscherin Anna Maria Ray von der JILA Foundation in Boulder, USA, testeten die Innsbrucker Physiker die Genauigkeit der Messung an einem Teilchengewirr im Labor. Die Forscher verwendeten einen Laser, um die Wechselwirkung und Verschränkung der in einer Vakuumkammer aufgereihten Ionen abzustimmen.

„Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen nimmt mit dem Abstand zwischen den Teilchen ab. Deshalb haben wir Spin-Austausch-Wechselwirkungen genutzt, um dem System ein kollektiveres Verhalten zu ermöglichen“, erklärt Raphael Kuprugger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.

Somit waren alle Teilchen in der Kette miteinander verschränkt und erzeugten einen sogenannten komprimierten Quantenzustand. Damit konnten die Physiker zeigen, dass sich Messfehler durch die Verschränkung von 51 Ionen zu einzelnen Teilchen etwa halbieren lassen. Bisher beruhte die durch Verschränkung verstärkte Sensorik hauptsächlich auf unendlichen Wechselwirkungen, was ihre Anwendbarkeit nur auf bestimmte Quantenplattformen einschränkte.

genauere Stunden

Quantenphysiker in Innsbruck haben mit ihren Experimenten gezeigt, dass Quantenverschränkung Sensoren empfindlicher macht. „Wir haben in unseren Experimenten die optische Verschiebung genutzt, die auch in Atomuhren verwendet wird“, sagt Christian Ross. Diese Technologie könnte Bereiche verbessern, in denen Atomuhren derzeit eingesetzt werden, etwa die Satellitennavigation oder die Datenübertragung. Darüber hinaus könnten diese fortschrittlichen Uhren neue Möglichkeiten in Bereichen wie der Suche nach Dunkler Materie oder der Bestimmung zeitlicher Änderungen fundamentaler Konstanten eröffnen.

Christian Ross und sein Team wollen die neue Methode nun an zweidimensionalen Ionenclustern testen. Die aktuellen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur. In derselben Ausgabe veröffentlichten die Forscher sehr ähnliche Ergebnisse mit neutralen Atomen. Finanziell unterstützt wurde die Forschung in Innsbruck unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Industriellenvereinigung Österreich.

Referenz: „Quantum Enhanced Sensing of Optical Transitions Through Limited-Range Interactions“ von Johannes Franke, Sean R. Mulledy, Raphael Coppruger, Florian Kranzl, Rainer Platt, Anna Maria Ray und Manoj K. Joshi und Christian F. Ross, 30. August 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06472-z