Die in Quantentechnologien verwendeten quantenmechanischen Systeme, zum Beispiel einzelne Atome, sind sehr empfindlich: Jede Interaktion mit der Umgebung kann Änderungen hervorrufen, und somit zu Fehlern führen. Diese bemerkenswerte Empfindlichkeit quantenmechanischer Systeme gegenüber Umweltfaktoren kann aber auch ein Vorteil sein. Durch die Empfindlichkeit können Quantensensoren konventionelle Sensoren in der Präzision übertreffen, beispielsweise bei der Messung magnetischer Felder oder der Gravitation.
Der Vergleich macht sicher
Die empfindlichen quantenmechanischen Eigenschaften, die für die Sensorik benötigt werden, können durch Rauschen überdeckt werden – verursacht durch schnelle Wechselwirkungen zwischen dem Sensor und der Umgebung, die die Informationen im Sensor stören und das Quantensignal unleserlich machen. In einer neuen Arbeit stellen Physiker:innen um Christian Roos vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gemeinsam mit Partnern in Israel und den USA eine Methode vor, wie diese Informationen mithilfe der „Korrelationsspektroskopie“ wieder zugänglich gemacht werden können. „Die Schlüsselidee ist hier, dass wir nicht nur einen einzelnen Sensor verwenden, sondern ein Netzwerk von bis zu 91 Sensoren, die jeweils aus einem einzelnen Atom bestehen“, schildert Helene Hainzer, die Erstautorin der Arbeit. „Da das Rauschen alle Sensoren gleichermaßen betrifft, können wir durch die Analyse gleichzeitiger Änderungen in den Zuständen aller Sensoren das Umweltrauschen effektiv herausrechnen und die zu messenden Informationen wiederherstellen. Dies ermöglicht es uns, Variationen des magnetischen Feldes in der Umgebung präzise zu messen, sowie den Abstand zwischen den Quantensensoren zu bestimmen.“ Darüber hinaus ist die Methode für verschiedene andere Sensoraufgaben und innerhalb verschiedener experimenteller Plattformen anwendbar, was ihre Vielseitigkeit widerspiegelt.
Mit der Zahl der Sensoren steigt die Präzision
Korrelationsspektroskopie wurde bereits in der Vergangenheit mit zwei Atomuhren umgesetzt, was zu einer bis dahin unerreichten Genauigkeit in der Zeitmessung führte. „Unsere Arbeit ist die erste Anwendung dieser Methode für eine so große Anzahl von Atomen bzw. Sensoren“, betont ERC-Preisträger Christian Roos. „Tatsächlich haben wir über mehrere Jahre hinweg einen vollständig neuen experimentellen Aufbau entwickelt, um experimentelle Kontrolle über so viele Atome zu ermöglichen.“ In ihrer Veröffentlichung zeigen die Innsbrucker Wissenschaftler:innen, dass die Präzision der durchgeführten Sensor-Messungen mit der Anzahl der Teilchen im Sensornetzwerk zunimmt. Bemerkenswert ist, dass Verschränkung – die üblicherweise verwendet wird, um die Genauigkeit von Quantensensoren zu erhöhen, die aber im Labor nur schwierig zu erzeugen ist – im Vergleich zu dem nun demonstrierten Multi-Sensorsystem keinen Vorteil bietet.
Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Physical Review X erschienen und wurde unter anderem vom Wissenschaftsfonds FWF, dem österreichischen Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung, der Europäischen Union und der Industriellenvereinigung Tirol finanziell unterstützt.
Publikation: Correlation spectroscopy with multiqubit-enhanced phase estimation. Phys. Rev. X. H. Hainzer, D. Kiesenhofer, T. Ollikainen, M. Bock, F. Kranzl, M. K. Joshi, G. Yoeli, R. Blatt, T. Gefen, and C. F. Roos. Phys. Rev. X 14, 011033 DOI: 10.1103/PhysRevX.14.011033