Nature-Studie: Klassische Messgrenze überschritten

Bereits im Alltag lässt sich an der Zeigerstellung einer Uhr ablesen: Die Genauigkeit der Anzeige ist aus techni­schen Gründen limitiert. Für Physiker markiert das sogenannte Schrotrauschen eine Grenze. Es tritt zum Beispiel auf, wenn elektrischer Strom eine potentielle Barriere überwinden muss.

Alle derzeitigen Präzisi­onsmessungen arbeiten nahe an diesem Limit. Phy­siker der Universität Heidelberg konnten demonstrie­ren, dass unter Verwendung von quantenme­chanischen Konzepten diese Grenze sogar noch überschritten werden kann. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Online-Ausgabe von Nature vorgestellt.

„Um nach dem derzeitigen Kenntnisstand der grundlegen­den Theorie der Quantenmechanik nahe an dieser klassischen Messgrenze arbeiten zu können, mussten wir atomare Gase auf extrem tiefe Temperaturen 0.000 000 01°K über den absoluten Nullpunkt abküh­len“, erläutert Prof. Dr. Markus Oberthaler, Leiter der Arbeitsgruppe „Synthetic Quantum Systems“ am Hei­delberger Kirchhoff-Institut für Physik und Ko-Autor der Nature-Studie.

Die Stabilität des Laboraufbaus wurde so weit getrieben, dass die Ablesegenauigkeit nur­mehr durch die klassische Schrotrauschgrenze gege­ben war. Um dieses Limit zu unterbieten, wurden so­dann quantenmechanische Ressourcen durch die ge­zielte Manipulation der mikroskopischen Wechselwirkung zwischen den Atomen erzeugt. Die neu entwickelte Methode, betont der Heidelberger Physiker, „ist so hervorragend, dass damit das weltweit größte quanten­mechanisch verschränkte System von 170 Teilchen realisiert werden konnte – zehnmal mehr Teilchen als jemals zuvor. Darüber hinaus wurden damit Messun­gen durchgeführt, die explizit und mit bloßem Auge erkennbar die klassische Messgrenze überschritten.“

Ob diese Errungenschaft der fundamentalen Physik auch im Alltag eine Anwendung erfahren wird, ist nicht un­wahrscheinlich: „Schon derzeit sind wir von Präzisions­physik umgeben. Fast in jedem Auto sieht man Navigationsgeräte, die auf dem Prinzip der präzisen Zeitmessung basieren. Diese wiederum arbeitet der­zeit schon nahe an der klassischen Messgrenze. Will man den Zeitstandard verbessern, scheint mit den ak­tuellen Ergebnissen ein neuer Weg möglich“, so Prof. Oberthaler.

Originalveröffentlichung:
C. Gross, T. Zibold, E. Nicklas, J. Estève & M. K. Obertha­ler: Nonlinear atom interferometer surpasses clas­sical precision limit, Nature online (31. März 2010)
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