Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verschränkte Atome überwinden Grenzen der Messgenauigkeit

04.10.2013
Atominterferometer gehören zu den präzisesten Instrumenten, um Gravitation, elektromagnetische Felder und andere fundamentale Grössen zu messen. Ihre Genauigkeit ist jedoch durch Quantenrauschen begrenzt.

Physikern der Universität Basel ist es nun gelungen, das Rauschen mittels verschränkter Quantenteilchen zu verringern und so ein elektromagnetisches Feld mit einer Präzision jenseits des Standard-Quantenlimits zu vermessen. Über die Studie berichtet das Fachmagazin «Physical Review Letters» in seiner aktuellen Ausgabe.


Eine Wolke von verschränkten Atomen (blau) ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips.

Bild: Caspar Ockeloen/Philipp Treutlein, Universität Basel

In der Quantenphysik ist der Zufall ein wesentliches Prinzip der Natur. Das Ergebnis einer Messung an einem mikroskopischen Teilchen lässt sich nicht genau, sondern lediglich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen. Diese Zufälligkeit ist nicht nur eine Herausforderung für unser Weltbild, sondern hat auch ganz praktische Auswirkungen: sie begrenzt die Präzision von Atominterferometern, die zu den empfindlichsten Messinstrumenten gehören, die es derzeit gibt.

Um beispielsweise den Wert eines elektromagnetischen Feldes präzise zu bestimmen, müssen die Messergebnisse einer grossen Zahl von Atomen gemittelt werden. Durch die Mittelung werden die zufälligen Schwankungen zwar stark verringert, aber nicht vollständig eliminiert. Das verbleibende «Quantenrauschen» und die damit verbundene Begrenzung der Messgenauigkeit bezeichnet man als Standard-Quantenlimit der Interferometrie.

Weniger Rauschen durch verschränkte Atome
Forschern der Universität Basel in der Arbeitsgruppe von Prof. Philipp Treutlein ist es nun gelungen, das Quantenrauschen in einem Atominterferometer zu verringern und so die Präzision der Messung zu erhöhen. Dazu machten sich die Physiker einen weiteren quantenmechanischen Effekt zunutze, die sogenannte Verschränkung.

Während Atome in einem gewöhnlichen Interferometer voneinander unabhängig sind – das Messresultat eines Atoms wird durch die anderen Atome nicht beeinflusst – so verhalten sich miteinander verschränkte Atome als eine kollektive Einheit. Das Quantenrauschen der einzelnen Atome ist korreliert und kann durch geschickte Wahl des Messverfahrens unter das Standard-Quantenlimit gedrückt werden.

«Wir erzeugen den verschränkten Zustand, indem wir Atome sehr kontrolliert miteinander kollidieren lassen», erklärt Caspar Ockeloen, der das Experiment im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat. «Danach bestrahlen wir die Atome mit Mikrowellen, um die interferometrische Messung durchzuführen.» Am Ende der Messung beobachten die Forscher ein Quantenrauschen, das um einen Faktor 1,6 kleiner ist als das Standard-Quantenlimit.

Auf dem Weg zur Quantentechnologie
Als erste Anwendung haben die Forscher ein Mikrowellenfeld in der Nähe der Oberfläche eines Mikrochips vermessen. Die dabei erzielte Präzision übersteigt die bisheriger Messverfahren um mehrere Grössenordnungen. Solche hochauflösenden elektromagnetischen Feldmessungen könnten zum Beispiel für das Testen von integrierten Schaltkreisen für die Kommunkationstechnologie von Interesse sein, wie man sie in Mobiltelefonen und Computern findet.

Technologische Anwendungen quantenphysikalischer Effekte werden weltweit von einer wachsenden Zahl von Forschungsgruppen untersucht. Verbesserte Atominterferometer und andere Präzisionsmessinstrumente sind ein Beispiel für eine solche Quantentechnologie.

Verschränkung besser verstehen
Neben technologischen Anwendungen erhoffen sich die Wissenschaftler von ihren Experimenten auch ein besseres Verständnis des Phänomens der Verschränkung. «Verschränkung ist eines der faszinierendsten Phänomene der Physik – Albert Einstein hat sie einmal als ‹spukhafte Fernwirkung› bezeichnet», erläutert Dr. Roman Schmied, einer der Koautoren der Studie. «Über ein halbes Jahrhundert später gibt es immer noch viele offene Fragen, wie man Verschränkung quantifiziert und nachweist.» In ihren Experimenten haben die Basler Forscher daher auch eine genaue Charakterisierung des verschränkten Quantenzustands der Atome mittels tomographischer Methoden vorgenommen.

Die Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsschwerpunkts Nano- und Quantenphysik im Departement Physik der Universität Basel durchgeführt und vom Schweizer Nationalfonds sowie der Europäischen Union gefördert.

Originalbeitrag
Caspar F. Ockeloen, Roman Schmied, Max F. Riedel, and Philipp Treutlein
Quantum Metrology with a Scanning Probe Atom Interferometer
Physical Review Letters; published 3 October 2013 | doi: 10.1103/PhysRevLett.111.143001
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Philipp Treutlein, Universität Basel, Departement Physik, Klingelbergstrasse 82, 4056 Basel, Tel. +41 (0)61 267 37 66, E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch

Weitere Informationen:

http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i14/e143001 - Abstract
http://atom.physik.unibas.ch/ - Forschungsgruppe Prof. Philipp Treutlein >

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte