Verschränkungsverstärkte Sensorik ebnet den Weg für fortschrittliche Quantensensoren

Von der Universität Innsbruck, 30. August 2023

Innsbrucker Physiker verschränkten alle Teilchen der Kette miteinander und erzeugten einen sogenannten gequetschten Quantenzustand. Bildnachweis: Steven Burrows und die Rey Group/JILA

Metrologische 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 entscheidender Bedeutung sind, wurden kürzlich durch die Verwendung immer höherer Schwingfrequenzen in optischen Atomuhren verbessert.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Genauigkeit der Messungen, die für die Funktion einer optischen Atomuhr von entscheidender Bedeutung sind.

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

Mit Unterstützung der Theoretikerin Ana Maria Rey vom JILA in Boulder, USA, testeten die Innsbrucker Physiker die Messgenauigkeit an einem verschränkten Teilchenensemble im Labor. Die Forscher verwendeten Laser, um die Wechselwirkung von Ionen, die in einer Vakuumkammer aufgereiht waren, abzustimmen und sie zu verschränken.

„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 Kaubrügger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.

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

Mit ihren Experimenten zeigten die Innsbrucker Quantenphysiker, dass Quantenverschränkung Sensoren noch empfindlicher macht. „Wir haben in unseren Experimenten einen optischen Übergang genutzt, der auch in Atomuhren zum Einsatz kommt“, sagt Christian Roos. Diese Technologie könnte Bereiche verbessern, in denen Atomuhren derzeit eingesetzt werden, etwa die satellitengestützte Navigation oder die Datenübertragung. Darüber hinaus könnten diese fortschrittlichen Uhren neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise bei der Suche nach Dunkler Materie oder der Bestimmung von Zeitschwankungen fundamentaler Konstanten.

Christian Roos und sein Team wollen die neue Methode nun in zweidimensionalen Ionenensembles testen. Die aktuellen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. In derselben Ausgabe veröffentlichten Forscher sehr ähnliche Ergebnisse mit neutralen Atomen. Die Forschung in Innsbruck wurde unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Industriellenvereinigung Österreich finanziell unterstützt.

Referenz: „Quantum-Enhanced Sensing on Optical Transitions Through Finite-Range Interactions“ von Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi und Christian F. Roos, 30. August 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z