Atomarer Sensor am Quantenlimit
In einem Kooperationsprojekt der Abteilung Optische Frequenzmetrologie am DLR Standort Hannover und der Leibniz Universität im Rahmen des Sonderforschungsbereichs DQ-mat (Designed Quantum States of Matter) hat das Team um Carsten Klempt nun erstmalig den Betrieb eines atomaren Quantensensors in der Nähe des Heisenberglimits demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
QAI - Experiment
Das "Quantum Atom Interferometer" wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. C. Klempt entwickelt.
Das Auflösungsvermögen von Quantensensoren ist fundamental durch das so genannte Heisenberglimit beschränkt. Ein Auflösungsvermögen am Heisenberglimit kann nur erreicht werden, indem die Atome miteinander verschränkt werden. Quantenmechanische Verschränkung - wie sie auch für den Betrieb von Quantencomputern eingesetzt wird - bezeichnet Korrelationen zwischen den Atomen, die nicht mit unserer herkömmlichen Intuition erklärt werden können.
Wesentliche Voraussetzung für diese Demonstration ist eine verbesserte Fluoreszenzdetektion. Mithilfe von sechs sich kreuzenden Laserstrahlen wird das Atomensemble so beleuchtet, dass sich die Atome währenddessen kaum bewegen und nur wenig aufheizen. Hierdurch steigt das Signal jedes einzelnen Atoms deutlich an, sodass es sich klar vom technischen Rauschen und Hintergrundlicht abgrenzen lässt: Einzelatom-Auflösung wurde erreicht.
Eine solch präzise Auslesung des Quantenzustands vieler ununterscheidbarer Teilchen – in diesem Fall eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) – ist eine echte Neuheit auf dem Gebiet. Diese Möglichkeit war bisher weitgehend Interferometern vorbehalten, die mit Lichtteilchen (Photonen) arbeiten. Um die Kontrolle über das Quantensystem auf diesem ultimativen Einzelteilchen-Niveau zu beweisen, wurde ein ikonisches Quanteninterferenzphänomen nachgewiesen, der Hong-Ou-Mandel-Effekt. Durch Mehrteilchen-Interferenz werden die Ausgangszustände ausschließlich mit einer geraden Anzahl von Atomen besetzt. Ein solches Paritäts-Signal könnte zukünftig direkt für hochpräzise Messungen in Atominterferometern zum Einsatz kommen.