Metrologische Institutionen auf der ganzen Welt verwalten unsere Zeit. Als Basis dienen ihnen Atomuhren, die natürliche Schwingungen von Atomen als Taktgeber nutzen. Diese Uhren, die für Anwendungen wie Satellitennavigation oder Datenübertragung von zentraler Bedeutung sind, wurden in letzter Zeit durch die Verwendung immer höherer Schwingungsfrequenzen in optischen Atomuhren verbessert. Nun zeigen Wissenschaftler:innen der Universität Innsbruck und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), wie eine spezielle Art der Verschränkungserzeugung die Präzision von Messungen, wie sie optische Atomuhren nutzen, weiter verbessern kann.
Messfehler im Experiment halbiert
Beobachtungen von Quantensystemen unterliegen immer einer gewissen statistischen Schwankungsbreite. „Dies liegt in der Natur der Quantenwelt“, erklärt Johannes Franke aus dem Team von Christian Roos, Forscher an der Universität Innsbruck und der ÖAW. „Verschränkung kann uns helfen, diese Fehler zu reduzieren.“ Mit internationaler Unterstützung haben die Innsbrucker Physiker:innen die Messgenauigkeit an einem verschränkten Ensemble von Teilchen im Labor getestet. In einer Vakuumkammer aufgereihte Ionen wurden dabei mit Hilfe von Lasern in Wechselwirkung gebracht und verschränkt. „Die Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen nimmt mit dem Abstand zwischen den Teilchen ab. Wir nutzen Austauschwechselwirkungen, damit das System sich kollektiver verhält“, erläutert Raphael Kaubrügger, Quantenphysiker an der Universität Innsbruck und der ÖAW. So wurden alle Teilchen in der Kette miteinander verschränkt und ein sogenannter gequetschter Quantenzustand erzeugt. An diesem konnten die Physiker:innen zeigen, dass der Messfehler durch Verschränkung von 51 Ionen gegenüber einzelnen Teilchen ungefähr halbiert werden kann. Bisher beruhte die verschränkungsgestützte Sensorik hauptsächlich auf unendlich-reichweitigen Wechselwirkungen, was ihre Anwendbarkeit auf bestimmte Quanten-Plattformen beschränkte.
Noch genauere Uhren
Die Innsbrucker Quantenphysiker:innen konnten mit ihren Experimenten nachweisen, dass Verschränkung Quantensensoren noch sensibler macht. „Wir haben für unsere Experimente einen optischen Übergang genutzt, der auch in Atomuhren verwendet wird“, sagt Christian Roos. „Diese Technologie könnte auf Gebieten zu Verbesserungen führen, in denen derzeit Atomuhren verwendet werden, so zum Beispiel in der satellitengestützten Navigation oder der Datenübertragung. Darüber hinaus könnten diese fortschrittlichen Uhren neue Möglichkeiten in Bereichen wie der Suche nach dunkler Materie oder der Bestimmung der Abweichungen von Naturkonstanten eröffnen."
Mit seinem Team will Roos die neue Methode nun auch in zweidimensionalen Ionen-Ensembles testen. Die aktuellen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht. In der gleichen Ausgabe erschienen weitere Arbeiten, in denen Wissenschaftler:innen mit neutralen Atomen zu sehr ähnlichen Ergebnissen kamen.
