Verbesserte Sensitivität von atomaren Quantensensoren

Mittels Quantenphysik verbesserten EU-finanzierte Forscher die Sensitivität eines Atommagnetometers und ebneten damit den Weg für präzisere Messungen in verschiedensten Forschungsfeldern.

Grundlagenforschung

Die Forscher des EU-finanzierten Projekts AQUMET hatten sich ein ehrgeiziges Ziel gesetzt: sie wollten mittels Quantenphysik im Allgemeinen und Verschränkung im Speziellen die Empfindlichkeit atomarer Sensoren demonstrieren, dokumentieren und schließlich erhöhen. Beispiele für atomare Sensoren sind Atomuhren und Atommagnetometer. Damit ist den Forschern nun eine bahnbrechende Entwicklung gelungen, die den Weg für neue und hochpräzise wissenschaftliche Messungen ebnet. "Die Forschungsstudie ist technologisch enorm spannend, da Magnetfelder überall eingesetzt werden und diese meist immer entweder erzeugt oder modifiziert werden", sagt Projektkoordinator Morgan Mitchell. "Detaillierte Messungen können in der Praxis die Mineralexploration vereinfachen, etwa, indem die Stärke des Erdmagnetfelds vermessen wird, die sich bei unterirdischen Mineralvorkommen verändert. Nicht zuletzt lassen sich über Messungen des Magnetfeldes im Herzen und Gehirn auch verschiedenste biologische Prozesse erforschen, die dort stattfinden." Squeezing Die Empfindlichkeit eines atomaren Magnetometers wird über das kleinste Signal definiert, das es zuverlässig auflösen kann. Quantenrauschen ist dabei die größte Störquelle. Detektiert zum Beispiel ein Laser die Atome und deren Reaktion auf das Magnetfeld, wird die Sensitivität durch Schrotrauschen begrenzt, das wiederum als Quelle des Quantenrauschens gilt. Um dieses Schrotrauschen zu reduzieren und damit die magnetische Sensitivität zu verbessern, werden quantenoptische Verfahren eingesetzt - das so genannte Squeezing (Quetschen), und genau das machte AQUMET. "Unsere Studie ergab erste Verbesserungen der magnetischen Empfindlichkeit durch Squeezing - sowohl beim Squeezing von Licht, wenn Schrotrauschen reduziert wird, als auch beim Squeezing von Quantenrauschen", erklärt Mitchell. "Wir entdeckten, dass sich das Quantenrauschen von Atomen und das von Licht deutlich unterscheidet. Und mit diesem neuen Wissen konnten wir mehrere neue Squeezing-Zustände nachweisen, etwa bei makroskopischen Singulett- und planaren Squeezing-Zuständen." Laut Mitchell ist der planare gequetschte Zustand besonders interessant, da Quantenrauschen nachweislich soweit reduziert wird, dass die Empfindlichkeit komplexer Sensoren wie MRT-Sensoren verbessert wird, die in der Regel mehrere atomare Eigenschaften gleichzeitig messen müssen. Genau zum richtigen Zeitpunkt Die AQUMET-Forschungen kamen dabei zum genau richtigen Zeitpunkt. "Durch Analysen der Grenzen bei atomaren Quantensensoren und Entwicklung neuer Methoden, mit denen sich das übliche Quantenrauschen bei diesen Sensoren vermeiden lässt, führte das Projekt erstmals Quantensensoren in verschiedensten Forschungsinitiativen und –feldern ein", sagt Mitchell. "Damit wird es eine wichtige Rolle für die künftige EU-Flagship-Initiative zu Quantentechnologien spielen und Sensortechnologien für die medizinische Forschung erschließen." Auch nach dem Projektende werden die Forschungen weitergeführt, um bisherige Grenzen atomarer Sensoren mit dem von AQUMET entwickelten System zu erweitern. Zudem werden die mit AQUMET gewonnenen Erkenntnisse nun auf neue physikalische Systeme angewendet, etwa bei kleinen atomaren Magnetometern zum Nachweis biomagnetischer Felder. Auch werden die von AQUMET entdeckten neuen Squeezing-Zustände für andere Hightech-Systeme wie Atomuhren relevant sein.

Schlüsselbegriffe

AQUMET, Quantenphysik, atomare Quantensensoren, Quantentechnologien, Sensortechnologien

Atomic Quantum Metrology

Verbesserte Sensitivität von atomaren Quantensensoren

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