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 Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie