In einem Experiment mit ultra-kalten Atomen haben Physiker am Institute of Photonic Sciences (Barcelona, Spanien) erstmals das „Heisenberg-Limit“ durchbrochen, das oft als die ultimative Grenze für den Nachweis von Gravitationswellen, magnetische Bildgebungsverfahren und andere ultra-empfindliche Messungen beschrieben wird. Das Ergebnis ist von fundamentaler Bedeutung für die Interferometrie und die Quantenlimits für Messungen und könnte in Anwendungsbereichen von medizinischer Diagnose bis zur satellitengestützten Navigation zum Einsatz kommen.
Interferometrie verwendet das Quanten-Superpositionsprinzip, das es Quantenteilchen erlaubt, mehrere Wege gleichzeitig zu benutzen, um winzige Unterschiede bei den Pfaden zu registrieren. Sie nutzt die Quantenverschränkung, um Gruppen von Teilchen zu organisieren und ihre angeborene Zufälligkeit zu reduzieren. Die neue Arbeit zeigt, wie Interaktionen zwischen den Teilchen verwendet werden können, um ein Interferometer noch empfindlicher zu machen. In dem Experiment drückten kontrollierte Interaktionen innerhalb des Interferometers die Empfindlichkeit über das Heisenberg-Limit hinaus – die bestmögliche Grenze, die nur mit der Superposition und der Quantenverschränkung erreicht werden kann.
Das Team benutzte ein „Polarisationsinterferometer“, das entwickelt wurde, um magnetische Felder und Gravitationswellen zu registrieren. Um die Photonen miteinander wechselwirken zu lassen, füllten die Wissenschaftler das Interferometer mit ultra-kalten Rubidium-Atomen. Obwohl Photonen nicht direkt miteinander interagieren, fungierten diese Atome als Vermittler der Interaktionen, was es den Photonen erlaubte, Energie auszutauschen. Diese interaktionsbasierte Messung zeigte eine Skalierung, die besser als das Heisenberg-Limit war und übertrumpfte ein traditionelles Interferometer um den Faktor Zehn. Das Bild illustriert die von einem Atom vermittelte Photonen-Interaktion, aus der die ultra-empfindliche Messung hervorgeht.
Der Artikel Interaction-based quantum metrology showing scaling beyond the Heisenberg limit wurde von den Doktoranden Mario Napolitano, Marco Koschorreck, Brice Dubost, Naeimeh Behbood und Professor Morgan Mitchell, dem Leiter der Gruppe Quantum Information with cold Atoms and non-classical Light in der Ausgabe vom 24. März des Journals Nature veröffentlicht.
Quelle: http://www.icfo.es/index.php?section=news1&lang=english&op=show_announcement&announcement_id=1362
(THK)
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