Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einsteins "Spukhafte Fernwirkung" verbessert Präzisionsinstrumente

14.10.2011
Verschränkte Zustände für hochgenaue Uhren

Atome, die Bausteine der Natur, können als äußerst präzise Messinstrumente eingesetzt werden. So wird beispielsweise seit den1960er Jahren unsere Zeit durch die innere Schwingungsfrequenz von Cäsium-Atomen definiert.

In einer hochpräzisen Atomuhr wird die innere Schwingungsfrequenz der Atome gemessen und in einen Sekundentakt umgewandelt. Diese Frequenz kann allerdings nicht mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Es gibt eine fundamentale Grenze der Genauigkeit durch das sogenannte Schrotrauschen. Dies sind grundsätzliche, statistische Schwankungen der Messwerte, die auftreten, wenn die Atome unabhängig voneinander schwingen.

Einer Forschergruppe des Exzellenzclusters QUEST (Centre of Quantum Engineering and Space-Time Research) an der Leibniz Universität Hannover ist es jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Spanien, Italien und Dänemark gelungen, diese Grenze des Schrotrauschens zu überwinden. Der Artikel "Twin matter waves for interferometry beyond the classical limit" erscheint online am 13. Oktober 2011 bei Science Express.

In einer Atomuhr pendeln die Atome stufenlos zwischen zwei inneren Zuständen hin und her. Zur Bestimmung der Zeit müssen die Schwingungen in einem bestimmten Zeitraum gezählt werden. Dies erfordert, den inneren Zustand aller Atome zu messen. Während der Messung verhalten sich die Atome wie unabhängige Würfel, da sie trotz der stufenlosen Schwingung immer nur in einem der beiden inneren Zustände gemessen werden können. Die Messung eines der beiden inneren Zustände entspricht hier dem Würfeln einer geraden oder ungeraden Augenzahl. Wenn 100 Würfel gleichzeitig geworfen werden und die Menge der geraden und ungeraden Augenzahlen gezählt wird, erwartet man ein Ergebnis von 50 geraden und 50 ungeraden Zahlen. Allerdings kommen wegen der statistischen Wahrscheinlichkeit und der endlichen Anzahl der Würfel häufig kleine Abweichungen vor - zum Beispiel 48 gerade und 52 ungerade Zahlen. Diese Abweichungen werden als Schrotrauschen bezeichnet. Sie treten auch auf, wenn der innere Zustand der Atome gemessen wird und begrenzen daher die Genauigkeit einer Atomuhr. Diese Genauigkeitsgrenze kann nur überwunden werden, indem die Eigenarten der Quantenmechanik genutzt werden.

In der Quantenmechanik können zwei Atome miteinander "verschränkt" werden. Die beiden Atome verhalten sich dann wie ein Paar Würfel, das auf wundersame Weise immer genau eine gerade und eine ungerade Zahl zeigt. Wenn jetzt 50 solcher verschränkter Würfelpaare geworfen werden, erhält man immer 50 gerade und 50 ungerade Zahlen und die physikalische Grenze des Schrotrauschens ist überwunden. Diese Besonderheit der Physik war lange Zeit umstritten. Sogar Albert Einstein bezeichnetet diesen Effekt als "spukhafte Fernwirkung" und war generell skeptisch: "Gott würfelt nicht." Heute ist Verschränkung ein wesentlicher Bestandteil unseres Verständnisses von Natur und ihre Existenz wurde in vielen physikalischen Experimenten nachgewiesen.

Die Experimente in Hannover haben gezeigt, dass solche verschränkten Paare von Atomen bei extrem kalten Temperaturen hergestellt werden können. Zu diesem Zweck kühlen die Wissenschaftler einige zehntausend Rubidium-Atome mit Lasern bis fast an den absoluten Temperaturnullpunkt. Die kalten Rubidium-Atome verhalten sich wie kleine Magnete, bei denen der innere Zustand durch die magnetische Ausrichtung definiert ist. Zunächst mit horizontaler Ausrichtung vorbereitet, bilden die Atome dann verschränkte Paare mit je einem ab- und einem aufwärts gerichteten Atom, die den geraden oder ungeraden Würfelergebnissen entsprechen. "In einer Reihe von Messungen haben wir gezeigt, dass diese verschränkten Atompaare in der Tat für hochgenaue Messungen jenseits der Grenzen des Schrotrauschens geeignet sind", erklärt Dr. Carsten Klempt, Physiker am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover. "Dieser Prozess, den Einstein noch als "spukhafte Fernwirkung" abgetan hat, wird zukünftige Atomuhren sehr viel genauer machen", so Klempt weiter.

Hochpräzise Atomuhren sind für die Verbesserung einer Vielzahl von modernen Entwicklungen wichtig, darunter das Global Positioning System (GPS), die präzise Synchronisation der Stromnetze oder des Internets. Auch im Bereich der Erdbeobachtung können Messungen der Beschleunigung, Rotation oder Schwerkraft mit Hilfe von verschränkten Atomen deutlich verbessert werden.

Achtung Sperrfrist: Donnerstag, 13. Oktober 2011, 20 Uhr MEZ!

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen stehen Ihnen Dr. Carsten Klempt vom Institut für Quantenoptik unter Telefon +49 511 762 2238 oder per E-Mail unter klempt@iqo.uni-hannover.de sowie Dr. Ude Cieluch, QUEST Kommunikation, unter Telefon +49 511 762 17481 oder per E-Mail unter ude.cieluch@quest.uni-hannover.de gerne zur Verfügung.

Der Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) wird seit November 2007 innerhalb der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern gefördert. Die Hauptforschungsbereiche des Clusters sind das Quantenengineering und die Raum-Zeit-Forschung. Beteiligt sind sechs Institute der Leibniz Universität Hannover sowie die folgenden externen Partner: Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) mit dem Gravitationswellendetektor GEO600, das Laser Zentrum Hannover e.V., die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen

Referat für Kommunikation und Marketing
Leibniz Universität Hannover
Welfengarten 1
30167 Hannover
Tel.: 0511/762-5342
Fax: 0511/762-5391
mailto:info@pressestelle.uni-hannover.de

| Leibniz Universität Hannover
Weitere Informationen:
http://www.uni-hannover.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics