Wissenschaftler überbieten Quantenmessempfindlichkeit

Europäische Pionierforscher haben erreicht, was bisher noch niemand geschafft hat: das Heisenberg-Limit der Empfindlichkeit einer Quantenmessung zu übertreffen. Dem Ergebnis könnte eine Schlüsselrolle in der Interferometrie und bei quantenoptischen Messgrenzen zukommen. Die im...

Europäische Pionierforscher haben erreicht, was bisher noch niemand geschafft hat: das Heisenberg-Limit der Empfindlichkeit einer Quantenmessung zu übertreffen. Dem Ergebnis könnte eine Schlüsselrolle in der Interferometrie und bei quantenoptischen Messgrenzen zukommen. Die im renommierten Fachjournal Nature präsentierte Forschungsarbeit wurde teilweise durch das EMALI-Projekt ("Engineering, manipulation and characterization of quantum states of matter and light") finanziert, das innerhalb einer Marie-Curie-Forscherausbildung unter dem Sechsten EU-Rahmenprogramm (RP6) eine Finanzhilfe von mehr als 439.000 EUR erhielt, um allgemeine theoretische und experimentelle Verfahren zum Manipulieren, Beeinflussen und Charakterisieren von Quantenzuständen in Materie und Licht zu entwickeln.

Interferometrie nutzt das Quantensuperpositionsprinzip, dem zufolge Quantenteilchen mehreren Pfaden gleichzeitig folgen können. Dies ermöglicht es, kleine Gangunterschiede zu erfassen. Dank dieser neuesten Studie können nun die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen genutzt werden, um empfindlichere Interferometer zu realisieren.

Der Hauptautor Mario Napolitano, Doktorand am Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) in Barcelona, Spanien, und seine Kollegen setzten miteinander interagierende Photonen ein, um ein atomares Ensemble zu untersuchen und dabei auf wirksame Weise eine Empfindlichkeit zu erreichen, die eine fundamentale Grenze - das sogenannte Heisenberg-Limit - überwindet. Experten betrachten dieses als die ultimative Grenze für verschiedene Messungen wie zum Beispiel die Bildgebung per Magnetresonanztomographie und die Wellenerfassung.

"Die meisten präzisen Instrumente folgen dem interferometrischen Prinzip und arbeiten nach den Gesetzen der Quantenmechanik", schreiben die Autoren in Nature. "Eine Sammlung von Partikeln, wie etwa Photonen oder Atome, wird in einen Superpositionszustand gebracht, unter der Wirkung eines Hamiltonoperators, der einen unbekannten Parameter X enthält, entwickelt und in Übereinstimmung mit der Quantenmesstheorie gemessen. Die Komplementarität der Quantenmessungen bestimmt die endgültige Empfindlichkeit dieser Instrumente."

Quantenphysiker behaupten, dass unter der Heisenbergschen Unschärferelation bestimmte Paare physikalischer Eigenschaften wie etwa Ort und Impuls nicht immer gleichzeitig genau messbar sind - je genauer eine Eigenschaft bekannt ist, desto weniger genau kann die andere erkannt werden. Basierend auf ihren Erkenntnissen konnten Wechselwirkungen zwischen Quantenteilchen in der Quantenmetrologie verwendet werden.

Da für den Akt der Messung in der Quantenphysik bestimmte Einschränkungen gelten, wird die Erzielung der Empfindlichkeit zu einem komplexen Prozess. Den Experten zufolge verbessert sich bei einer Messung, die Quanteninterferenz zwischen N Probeteilchen beinhaltet, die Empfindlichkeit mit zunehmendem N, wobei für die Größe 1/N1/2 gilt, wenn die Teilchen unabhängig voneinander sind, und 1/N (Heisenberg-Limit), wenn sie quantenmechanisch miteinander "verschränkt" sind.

Wissenschaftler haben nun kürzlich behauptet, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit möglich sei, wenn Teilchen miteinander in Wechselwirkung stehen. Wie sich ein Teilchen verhält, hängt im Grunde von der Präsenz anderer Teilchen ab.

Laut dieser Studie entwickelten die Forscher ein System, das genauer misst, als es das Heisenberg-Limit erlaubt. Das Team nutzte nichtlineare optische Effekte in einem Ensemble kalter Atome aus, um Wechselwirkungen zwischen Photonen zu erzeugen, mit deren Hilfe die Magnetisierung des Ensembles untersucht werden konnte. Die Messung zeigte eine verbesserte Messabweichung jenseits des Heisenberg-Limits - ein konventionelles Interferometer wurde um den Faktor 10 übertroffen.

So schlussfolgern die Autoren: "Unsere Arbeit beweist, dass interpartikuläre Wechselwirkungen die Empfindlichkeit einer quantenlimitierten Messung verbessern können und demonstriert auf experimentelle Weise eine neue Ressource für die Quantenmetrologie."Weitere Informationen unter: Institut de Ciències Fotòniques (ICFO): http://www.icfo.es/ Nature: http://www.nature.com/

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Spanien, Frankreich