Metrologische Institutionen auf der ganzen Welt verwalten unsere Zeit. Als Basis dienen ihnen Atomuhren, die natürliche Schwingungen von Atomen als Taktgeber nutzen. Diese Uhren, die für Anwendungen wie Satellitennavigation oder Datenübertragung von zentraler Bedeutung sind, wurden in letzter Zeit durch die Verwendung immer höherer Schwingungsfrequenzen in optischen Atomuhren verbessert. Nun zeigen Wissenschaftler der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften um Christian Roos, wie eine spezielle Art der Verschränkungserzeugung die Präzision von Messungen, wie sie optische Atomuhren nutzen, weiter verbessern kann.
Messfehler im Experiment halbiert
Beobachtungen von Quantensystemen unterliegen immer einer gewissen statistischen Schwankungsbreite. „Dies 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, haben die Innsbrucker Physiker die Messgenauigkeit an einem verschränkten Ensemble von Teilchen im Labor getestet. In einer Vakuumkammer aufgereihte Ionen wurden dabei mit Hilfe von Lasern in Wechselwirkung gebracht und verschränkt. „Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen nimmt mit dem Abstand zwischen den Teilchen ab. Wir nutzen Austauschwechselwirkungen, damit das System sich kollektiver verhält“, erläutert Raphael Kaubrügger vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. So wurden alle Teilchen in der Kette miteinander verschränkt und ein sogenannter gequetschter Quantenzustand erzeugt. An diesem konnten die Physiker zeigen, dass der Messfehler durch Verschränkung von 51 Ionen gegenüber einzelnen Teilchen ungefähr halbiert werden kann. Bisher beruhte die verschränkungsgestützte Sensorik hauptsächlich auf unendlich-reichweitigen Wechselwirkungen, was ihre Anwendbarkeit auf bestimmte Quanten-Plattformen beschränkte.
Noch genauere Uhren
Die Innsbrucker Quantenphysiker konnten mit ihren Experimenten nachweisen, dass Verschränkung Quantensensoren noch sensibler macht. „Wir haben für unsere Experimente einen optischen Übergang genutzt, der auch in Atomuhren verwendet wird“, sagt Christian Roos. „Diese Technologie könnte auf Gebieten zu Verbesserungen führen, in denen derzeit Atomuhren verwendet werden, so zum Beispiel in der satellitengestützten Navigation oder der Datenübertragung. Darüber hinaus könnten diese fortschrittlichen Uhren neue Möglichkeiten in Bereichen wie der Suche nach dunkler Materie oder der Bestimmung der Abweichungen von Naturkonstanten eröffnen.
Mit seinem Team will Christian Roos die neue Methode nun auch in zweidimensionalen Ionen-Ensembles testen. Die aktuellen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. In der gleichen Ausgabe erschienen weitere Arbeiten, in denen Wissenschaftler mit neutralen Atomen zu sehr ähnlichen Ergebnissen kamen. Die Forschungen in Innsbruck wurden unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Industriellenvereinigung Tirol finanziell gefördert.
Publikation: Quantum-enhanced sensing on optical transitions via finite-range interactions. Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi, and Christian F. Roos. Nature 2023 DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z [arXiv:2303.10688]