Physiker um Peter Zoller und Thomas Monz haben den ersten programmierbaren Quantensensor entwickelt und im Labor getestet. Dazu haben sie eine Methode aus der Quanteninformationsverarbeitung auf ein Messproblem angewendet. Das innovative Verfahren eröffnet die Perspektive für Quantensensoren, deren Präzision bis dicht an die durch die Naturgesetze vorgegebene Grenze reicht.
Atomuhren sind die besten Sensoren, die die Menschheit je gebaut hat. Heute findet man sie in staatlichen Eichämtern genauso wie in den Satelliten von Navigationssystemen. Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daran, die Präzision von Atomuhren weiter zu optimieren. Nun hat die Forschungsgruppe um den Innsbrucker Theoretiker Peter Zoller ein neues Konzept entwickelt, mit dem Quantensensoren noch präziser betrieben werden können, unabhängig davon, welche technische Plattform für die Messung genutzt wird. „Wir beantworten die Frage, wie präzise ein Sensor mit den vorhandenen Kontrollmöglichkeiten sein kann und liefern ein Rezept, wie dies erreicht werden kann“, erläutern Denis Vasilyev und Raphael Kaubrügger aus der Gruppe um Peter Zoller am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck.
Die Physiker nutzen dafür eine Methode aus der Quanteninformationsverarbeitung: Variations-Quantenalgorithmen beschreiben eine Schaltung von Quantengattern, die von freien Paramatern abhängen. Durch Optimierungsroutinen findet der Sensor selbständig die besten Einstellungen für ein optimales Ergebnis. „Diese Methode haben wir auf ein Problem aus der Metrologie – der Wissenschaft des Messens – angewendet“, erklären Vasilyev und Kaubrügger. „Das ist insofern spannend, weil historisch gesehen Fortschritte in der Atomphysik durch die Metrologie motiviert waren und daraus wiederum die Quanteninformationsverarbeitung entstanden ist. Hier schließt sich also ein Kreis“, freut sich Peter Zoller. Mit dem neuen Verfahren können die Wissenschaftler Quantensensoren so weit optimieren, dass sie die technisch bestmögliche Präzision erreichen.
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