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Atom interferometry at the Heisenberg limit using an in-cavity Bose-Einstein condensate and quantum non demolition detection

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Atomuhren und hochpräzise globale Positionsbestimmung

EU-finanzierte Wissenschaftler kombinierten mehrere hochmoderne Teilchennachweis- und Messverfahren und erzielten dabei bahnbrechende Ergebnisse, die Auswirkungen auf die hochpräzise Zeitmessung und die globale Positionsbestimmungen haben dürften.

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Interferometer sind Instrumente, die Interferenzen zwischen elektromagnetischen Wellen ausnutzen. Interferenzdaten ergeben nützliche messbare Größen wie etwa sehr präzise Messungen kleiner Verschiebungen sowie Trägheitsmessungen im Zusammenhang mit Schwerkraft und Rotation. Geht es um Atome, so übertreffen Trägheitssensoren auf Basis ultrakalter neutraler Atome und Atominterferometrieverfahren die konventionelle Lichtinterferometrie. Kalte Atome sind stabile Oszillatoren, die auf gut definierte Weise schwingen. Ihre stabile Schwingung ermöglicht ihren Einsatz bei extrem genauen Messungen, beispielsweise bei hochpräzisen Atomuhren. Die Empfindlichkeit derartiger Messungen wird durch das Quantenrauschen (Schrotrauschen) der atomaren Quelle begrenzt. Das Licht wird dabei zu Lichtenergiepaketen, den sogenannten Photonen, gequantelt. Die Quantelung resultiert in unvorhersehbaren Unsicherheiten der Lichteigenschaften (Amplitude und Phase) und im sogenannten Quantenrauschen. Ein Verfahren mit der Bezeichnung Quantenquetschen (Quantum Squeezing) kann zum Einsatz kommen, um die Phasenunsicherheit auf Kosten der Amplitudenunsicherheit zu reduzieren, was in einer grundlegenden Unterdrückung des Quantenrauschens resultiert. Europäische Forscher kombinierten die Atominterferometrie und das Quetschen gekühlter Atome, um eine Rauschempfindlichkeit unterhalb des Schrotrauschens zu ermöglichen und konnten dabei auf die EU-Finanzmittel des QNDINTERF-Projekts ("Atom interferometry at the Heisenberg limit using an in-cavity Bose-Einstein condensate and quantum non demolition detection") zurückgreifen. Desweiteren verbanden sie diese supermodernen Verfahren mit zerstörungsfreien Quantenmessungen (quantum non-demolition, QND). Während die meisten Teilchennachweis- und Messverfahren die Teilchen im Laufe des Messens zerstören, ist dies bei zerstörungsfreien Quantenmessungen nicht der Fall. Dasselbe Experiment könnte rein theoretisch an exakt denselben Atomen oder Teilchen immer wieder von neuem ausgeführt werden. Mit der Kombination ultrakalter Atominterferometrie mit dem Quetschen sowie der zerstörungsfreien Quantenmessung erreichten die Wissenschaftler kontinuierlich auszulesende Interferometrie bei Rauschpegeln im Subquantenbereich. Die bahnbrechenden Ergebnisse werden neben den offensichtlichen Konsequenzen für die Teilchenphysik Anwendung in Bereichen wie der Zeitmessung und der globalen Positionsbestimmung finden.

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21 Dezember 2021