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Forschende der Universität Basel und des Laboratoire Kastler Brossel in Paris haben gezeigt, wie sich mithilfe quantenmechanischer Verschränkung mehrere physikalische Parameter gleichzeitig genauer messen lassen.
Die Verschränkung ist wohl das verblüffendste Phänomen, das man an Quantensystemen beobachten kann. Sie führt dazu, dass Messungen an zwei Quantenobjekten, auch wenn sie sich an verschiedenen Orten befinden, statistische Korrelationen aufweisen, die es nach der klassischen Physik nicht geben dürfte – ganz so, als würde eine Messung an einem Objekt das andere auf Distanz beeinflussen. Der experimentelle Nachweis dieses auch als Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon bekannten Effekts wurde 2022 mit dem Physiknobelpreis belohnt.
Nun hat ein Forschungsteam um Prof. Dr. Philipp Treutlein von der Universität Basel und Prof. Dr. Alice Sinatra vom Laboratoire Kastler Brossel (LKB) in Paris gezeigt, dass die Verschränkung räumlich getrennter Quantenobjekte auch dazu verwendet werden kann, mehrere physikalische Parameter gleichzeitig mit erhöhter Genauigkeit zu messen. Ihre Resultate haben die Forschenden soeben im Fachjournal «Science» veröffentlicht.
Verbesserte Messungen durch Verschränkung
«Die Quantenmetrologie, also die Ausnutzung von Quanteneffekten zur verbesserten Messung physikalischer Grössen, ist mittlerweile ein etabliertes Forschungsgebiet», sagt Treutlein. Er und seine Mitarbeitenden hatten vor 15 Jahren einige der ersten Experimente durchgeführt, in denen die Spins von extrem kalten Atomen miteinander verschränkt wurden. Diese Verschränkung erlaubte es, die Ausrichtung der atomaren Spins (die man sich als kleine Kompassnadeln vorstellen kann) genauer zu messen, als dies mit unabhängigen, nicht verschränkten Spins möglich gewesen wäre.
«Diese Atome befanden sich allerdings alle am selben Ort», erklärt Treutlein: «Nun haben wir dieses Konzept dahingehend erweitert, dass wir die Atome in bis zu drei räumlich getrennte Wolken aufteilen. Dadurch wirken die Effekte der Verschränkung wie beim EPR-Paradoxon auf Distanz.»
Die Idee dabei: Möchte man beispielsweise die räumliche Änderung eines elektromagnetischen Feldes messen, so könnte man dazu einen verschränkten Zustand von räumlich getrennten Atomspins verwenden. Ähnlich wie bei der Messung an einem einzigen Ort könnte die Verschränkung dann die durch die Quantenmechanik bedingten Messunsicherheiten verringern und zudem andere Störeffekte, die auf alle Atomspins gleich einwirken, weitgehend ausschalten.
«Bislang hat noch niemand eine solche Quantenmessung mit räumlich getrennten verschränkten Atomwolken durchgeführt, und auch der theoretische Rahmen für solche Messungen war noch unklar», sagt Dr. Yifan Li, die als Postdoktorandin in Treutleins Gruppe an dem Experiment beteiligt war. Gemeinsam mit den Kollegen vom LKB untersuchten Treutlein und sein Team, wie sich mit solchen verschränkten Wolken die Messunsicherheit für die räumliche Verteilung eines elektromagnetischen Feldes minimieren lässt.
Dazu verschränkten sie zunächst die Atomspins in einer einzelnen Wolke miteinander und spalteten diese Wolke dann in drei untereinander verschränkte Teile auf. Mit wenigen Messungen konnten sie die Feldverteilung dann deutlich genauer bestimmen, als dies ohne räumliche Verschränkung zu erwarten gewesen wäre.
Anwendungen in Atomuhren und Gravimetern
«Unsere Messprotokolle können direkt auf bereits bestehende Präzisionsinstrumente, wie beispielsweise Gitter-Atomuhren, angewendet werden», sagt Lex Joosten, Doktorand in der Basler Gruppe. In solchen Uhren werden Atome in einem durch Laserstrahlen erzeugten optischen Gitter eingefangen und als äusserst präzise «Uhrwerke» genutzt. Mit den Methoden der Basler Forschenden könnten bestimmte Messfehler reduziert werden, die durch die Aufteilung der Atome über das Gitter entstehen, was zu einer genaueren Zeitbestimmung führt.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Atominterferometer, mit denen die Erdanziehung gemessen werden kann. Für einige Anwendungen dieser auch als Gravimeter bezeichneten Instrumente ist dabei insbesondere die räumliche Änderung der Erdanziehung interessant, die ebenfalls mit der Verschränkungs-Taktik genauer als bislang gemessen werden könnte.
Prof. Dr. Philipp Treutlein, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 37 66, E-Mail: Philipp.Treutlein@unibas.ch
Yifan Li, Lex Joosten, Youcef Baamara, Paolo Colciaghi, Alice Sinatra, Philipp Treutlein, Tilman Zibold
Multiparameter estimation with an array of entangled atomic sensors
Science (2026), doi: 10.1126/science.adt2442
https://doi.org/10.1126/science.adt2442
Mit drei Atomwolken, deren Spins (blau) auf Distanz miteinander verschränkt sind, können die Forsche ...
Source: Enrique Sahagún, Scixel
Copyright: Universität Basel, Departement Physik
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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