Genauere Messungen durch Quantensteuerung

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Mit Quantensystemen, die aus mehreren Teilchen bestehen, können magnetische oder elektrische Felder genauer gemessen werden. Ein junger Physiker der Universität Basel hat nun ein neues Verfahren für solche Messungen vorgeschlagen, das auf einer bestimmten Art von Korrelationen zwischen Quantenteilchen beruht.

In der Quanteninformatik bedient man sich oft der fiktiven Agenten Alice und Bob, um komplexe Kommunikationsaufgaben anschaulich zu machen. So kann Alice etwa verschränkte Quantenteilchen wie zum Beispiel Photonen benutzen, um damit einen - ihr selbst unbekannten - Quantenzustand an Bob zu übertragen, also zu ’teleportieren’, was mit traditioneller Kommunikation nicht machbar ist.

Bislang war indes nicht klar, ob das Gespann Alice-Bob ähnliche Quantenzustände auch für andere Dinge ausser der Kommunikation verwenden kann. Ein junger Physiker der Universität Basel hat nun gezeigt, wie mit bestimmten Arten von Quantenzuständen Messungen mit einer höheren Präzision gemacht werden können, als die Quantenmechanik normalerweise erlaubt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ’Nature Communications’ veröffentlicht.

Quantensteuerung auf Entfernung

Gemeinsam mit Forschern in Grossbritannien und Frankreich hat sich Matteo Fadel vom Departement Physik der Universität Basel überlegt, wie man hochgenaue Messaufgaben mithilfe der sogenannten Quantensteuerung (’quantum steering’) angehen kann.

Die Quantensteuerung beschreibt die Tatsache, dass in bestimmten Quantenzuständen von zwei Teilchen eine Messung am ersten Teilchen es erlaubt, genauere Vorhersagen über mögliche Messergebnisse am zweiten Teilchen zu machen, als es die Quantenmechanik bei einer einzigen Messung nur am zweiten Teilchen zulassen würde. Das ist dann gerade so, als hätte die Messung am ersten Teilchen den Zustand des zweiten ’gesteuert’.

Dieses Phänomen ist auch als EPR-Paradox bekannt, benannt nach Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, die es 1935 erstmals beschrieben haben. Bemerkenswert an dieser Steuerung ist, dass sie auch funktioniert, wenn die Teilchen sich weit voneinander entfernt aufhalten, da sie quantenmechanisch verschränkt sind und einander auf Distanz spüren. Dies erlaubt es Alice auch, ihren Quantenzustand durch Quantenteleportation an Bob zu senden.

’Für die Quantensteuerung müssen die Teilchen auf ganz bestimmte Weise miteinander verschränkt sein’, erklärt Fadel. ’Wir wollten nun verstehen, ob man das auch ausnutzen kann, um damit bessere Messungen zu machen’. Die Messprozedur, die er vorschlägt, besteht darin, dass Alice eine Messung an ihrem Teilchen macht und das Ergebnis an Bob übermittelt.

Dieser kann daraufhin dank der Quantensteuerung zwischen den Teilchen seine Messapparatur so justieren, dass der Messfehler an seinem Teilchen geringer ist, als er es ohne Alices Information gewesen wäre. Auf diese Weise kann Bob etwa magnetische oder elektrische Felder, die auf sein Teilchen wirken, mit hoher Präzision messen.

Systematische Untersuchung von Messungen mit Quantensteuerung

Die Arbeit von Fadel und seinen Kollegen erlaubt es nun, die Nützlichkeit der Quantensteuerung für metrologische Anwendungen systematisch zu untersuchen und zu demonstrieren. ’Die Idee dazu entstand aus einem Experiment, das wir bereits 2018 im Labor von Philipp Treutlein an der Universität Basel gemacht haben’, sagt Fadel

’Damals konnten wir erstmalig die Quantensteuerung zwischen zwei Wolken aus hunderten von kalten Atomen messen. Anschliessend fragten wir uns, ob man damit vielleicht etwas Nützliches machen könnte.’ Mit seiner Arbeit hat Fadel nun ein mathematisch festes Fundament für die Umsetzung von realistischen Messanwendungen geschaffen, die Quantensteuerung als Ressource verwenden.

’In manchen einfachen Fällen kannte man zwar schon eine Verbindung zwischen dem EPR-Paradox und Präzisionsmessungen’, meint Prof. Philipp Treutlein, ’doch nun haben wir einen allgemeinen theoretischen Rahmen, innerhalb dessen wir auch neue Strategien für die Quantenmetrologie entwickeln können.’ Einige Forscher arbeiten bereits daran, Fadels Ideen im Experiment zu demonstrieren. In Zukunft könnte dies zu neuen quantenverstärkten Messgeräten führen.

Originalpublikation

Benjamin Yadin, Matteo Fadel, and Manuel Gessner
Metrological complementarity reveals the Einstein-Podolsky-Rosen paradox
Nature Communications (2021), doi: 10.1038/s41467-021-22353-3