Neuartige Präzisionsmessinstrumente auf Quantenbasis
Historisch gesehen wie auch heute immer noch, ist die Interferometrie mit Interferometern, welche die präzisesten Messungen von Zeit, Frequenz und Trägheitskräften zu bieten haben, eines der leistungsfähigsten und genauesten Messverfahren. In einem Interferometer durchlaufen zwei Messobjekt ausgehende Wellen (Licht oder Materie) eine Phasenverschiebung, die beobachtbare Interferenzeffekte erzeugt. Ziel der Interferometrie ist die Messung dieser Effekte, um die Phasenverschiebung mit kleinstmöglicher Unsicherheit abzuschätzen. Ziel des Projekts QIBEC waren Erforschung und Entwicklung ultragenauer Interferometer, bei denen die in der Quantenwelt zur Verfügung stehenden Ressourcen ausgeschöpft werden. „Bei diesen Quanteninterferometern können sehr geringe Kräfte oder Beschleunigungen aus der Wirkung, die sie auf einen exotischen Quantenzustand der Materie - das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat (BEK) - ausüben, präzise abgeleitet werden“, erklärt Projektkoordinator Dr. Augusto Smerzi vom italienischen Nationalen Forschungsrat, der das Projekt anführte. „Man erreicht das durch Kühlen eines verdünnten Gases einer geeigneten Atomart auf Temperaturen, die dem absoluten Nullpunkt sehr nahe kommen.“ Während die Atome eines Gases bei höherer Temperatur mit sehr großen Geschwindigkeiten chaotisch aneinanderstoßen, bewegen sich die Atome in einem Bose-Einstein-Kondensat um einiges langsamer und auf viel geordnetere Weise. Vielteilchenverschränkung wird manipuliert Im Einzelnen bestand der Projektdurchbruch in der Erzeugung und Manipulierung einer massiven Vielteilchenverschränkung mit atomarem Bose-Einstein-Kondensaten und der Realisierung robuster verschränkungsverstärkter Interferometer für Messtechnik und Aufspürung schwacher Kraftfelder mit „Sub-Schrotrauschempfindlichkeit“, was letztlich Leistungen bedeutet, die über die klassische Grenze des Schrotrauschens hinausgeht. „Wir wollten eigentlich die Meinung eines großen Teils der BEK-Community anfechten, dass eingeschlossene Bose-Einstein-Kondensat-Gase aufgrund der niedrigen Atomzahl und der Dephasierung aufgrund von Interaktion nicht sehr nützlich für die Messtechnik sind“, kommentierte Dr. Smerzi. „Unter Einsatz der Bose-Einstein-Kondensate haben wir neuartige Verfahren angewandt, um sowohl technische als auch elementarere Quellen des Rauschens wie etwa mechanische Schwingungen, Magnetfeldschwankungen und Atomverluste zu reduzieren.“ Das Projektteam erprobte außerdem auf experimentelle Weise den gleichzeitigen Betrieb von Interferometern, die zur genauen Messung von Trägheits-, Gravitations- und elektromagnetischen Kräften verwendet werden. „Während man prinzipiell in der Lage ist, eine Single-Shot-Empfindlichkeit gegenüber Kräften zu erreichen, die mit den dem neuesten Stand der Technik entsprechenden frei fallenden Interferometern vergleichbar ist, bietet die Messvorrichtung, die durch Verdünnen eines Bose-Einstein-Kondensats über ein steuerbares Potenzial eines optischen Gitters erzielt wird, die Möglichkeit der Realisierung einer Multipolentwicklung (einer mathematischen Funktion, die von Winkeln abhängt, wo die Felder an entfernten Punkten in Hinsicht auf die Quellen in einem kleinen Bereich gegeben sind)“, erklärte Dr. Smerzi. Während dem Projekt keine Kommerzialisierung oder Patentierung folgte, da der Schwerpunkt des Projekts wissenschaftlich orientiert war, könnten in Zukunft konkrete Anwendungen der vom QIBEC-Team durchgeführten grundlegenden Arbeiten entwickelt werden. Dr. Smerzi stellt fest: „Man kann sich mikroskopisch eingeschlossene Interferometer vorstellen, die topmoderne Atominterferometer mit der Ausnutzung langer Messzeiten und Parallelisierungsprozesse übertreffen könnten, was zu einer neuen Generation mikroskopisch kleiner Trägheitskraftsensoren hinführen könnte.“ Das im Juli 2015 abgeschlossene QIBEC-Projekt erhielt rund 2 600 000 EUR an EU-Finanzierung.
Schlüsselbegriffe
QIBEC, BEC, Bose-Einstein-Kondensat, BEK, Interferometrie, Verschränkung, Quantensensorik, Quantenmessung, FET (Future and Emerging Technologies), Neue und künftige Technologien
