Vernetzung von Quantensensoren ermöglicht präzisere Messungen
Quantensensoren sind sehr empfindlich und können konventionelle Sensoren hinsichtlich der Präzision von physikalischen Messungen übertreffen. Gleichzeitig sind die Systeme aufgrund von Wechselwirkungen mit der Umgebung sehr fehleranfällig. Innsbrucker Forscher haben nun die Signale von dutzenden Quantensensoren verglichen und das störende Rauschen "herausgerechnet".
Die Idee sei gewesen, nicht nur einen einzelnen Sensor zu verwenden, sondern ein Netzwerk von bis zu 91 Sensoren, die jeweils aus einem einzelnen Atom bestehen, erklärte Erstautorin Helene Hainzer vom Institut für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck zu der im Fachblatt "Physical Review X" publizierten Studie. Zum Einsatz kam dabei die sogenannte Korrelationsspektroskopie, mit der beispielsweise schon die Genauigkeit der Zeitmessung von Atomuhren verbessert wurde.
"Dabei fragen wir alle Sensoren gleichzeitig ab und sehen uns an, wie sich die Signale dieser Sensoren gleichzeitig ändern", so Hainzer gegenüber der APA. Durch die Analyse dieser Änderungen könne man das störende Umweltrauschen herausrechnen, was eine präzise Messung und die Wiederherstellung der Informationen ermögliche. "Natürlich könnte man auch paarweise Korrelationen untersuchen. Aber es hat sich gezeigt, dass die Präzision mit der Anzahl der Sensoren im Netzwerk zunimmt", sagte die Forscherin.
Die aktuelle Arbeit stellt laut Studienleiter Christian Roos von der Uni Innsbruck die erste Anwendung der Korrelationsspektroskopie für derart viele Sensoren dar. Derzeit ist man laut Hainzer experimentell auf ungefähr 100 Atome limitiert. Das liege an der Ionenfalle, "dem Herzstück des Experiments", mit der man elektrische Spannungen anlegt, um die Ionen, also geladene Atome, einzuschließen. Um künftig noch mehr Atome im Netzwerk kontrollieren zu können, "müsste man eine kleinere Falle designen oder eine, bei der wir höhere Spannungen anlegen können", so Hainzer.
Eine Verschränkung, oft eingesetzt, um die Genauigkeit von Quantensensoren zu erhöhen, biete im Vergleich zu dem nun demonstrierten Multi-Sensorsystem keinen Vorteil, schreibt das Team, dem auch Forscher aus Israel und den USA angehören. Bei dem quantenphysikalischen Phänomen bleiben zwei oder mehr verschränkte Teilchen über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Es ist im Labor aber nur schwierig zu erzeugen.
Service: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.011033