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Quantensensor bewahrt dank wechselwirkender Atome mehr Messinformation
Bei der Messung sehr schwacher Mikrowellenfelder geht ein Teil der Information häufig schon beim Auslesen des Sensors verloren. Ein Experiment mit stark angeregten Atomen zeigt, dass sich dieser Nachteil gezielt begrenzen lässt. Durch Wechselwirkungen zwischen den Atomen blieb etwa dreimal so viel statistische Information über das Feld erhalten wie bei einem Vergleichsverfahren ohne diesen zusätzlichen Verarbeitungsschritt.
Warschau (Polen). Mikrowellen spielen nicht nur beim Funkverkehr eine Rolle, sondern auch bei der Steuerung und Auswertung bestimmter Quantensysteme. Für empfindliche Messgeräte sind besonders schwache Felder eine Herausforderung, weil beim Auslesen eines quantenmechanischen Zustands ein Teil der darin enthaltenen Information verloren gehen kann.
Eine Möglichkeit zur Erfassung solcher Felder bieten Rydberg-Atome, deren Elektronen durch Laserlicht auf besonders hohe Energieniveaus angehoben werden. Dadurch besitzen sie große elektrische Dipolmomente und reagieren sehr empfindlich auf äußere elektrische Felder. Zugleich können die stark angeregten Atome einander so beeinflussen, dass sie nicht nur messen, sondern auch Quanteninformation verarbeiten.
Forscher der Universität Warschau (UW) um Prof. Michał Parniak haben einen Mikrowellensensor aus einer Wolke ultrakalter Rubidium-87-Atome untersucht. Die rund 100 Millionen Atome dienten als Quantenspeicher, in dem Licht zunächst in Form gemeinsamer atomarer Anregungen gespeichert wurde.
Ein kurzer Mikrowellenimpuls beeinflusste anschließend diese angeregten Zustände, bevor das gespeicherte Signal wieder in Licht zurückverwandelt und ausgelesen wurde. Bei diesem Auslesen gehen zahlreiche Signale verloren, weshalb die hohe Empfindlichkeit der Atome allein noch keine verlustarme Messung garantiert.
Das Team ließ die Rydberg-Anregungen deshalb vor dem Auslesen gezielt miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkungen verursachen selbst Verluste, verändern aber den Quantenzustand so, dass spätere Verluste bei der Detektion weniger Messinformation zerstören. Die zusätzliche Verarbeitung wirkt damit als vorbeugender Schutz und nicht als nachträgliche Korrektur bereits verlorener Daten.
Wie viel eine Messung über die Feldstärke verrät, lässt sich mit der sogenannten Fisher-Information beschreiben. Diese statistische Größe bestimmt, wie klein die Unsicherheit bei der Schätzung einer unbekannten Messgröße unter geeigneten Bedingungen werden kann.
Mit dem Wechselwirkungsprotokoll erreichte das Experiment eine normierte Fisher-Information von 3,0 ± 0,3 gegenüber dem Referenzverfahren ohne zusätzliche Verarbeitung. Das entspricht ungefähr einer Verdreifachung der verfügbaren statistischen Information, bedeutet aber nicht, dass der Sensor die Feldstärke dreimal genauer bestimmte.
Für einen einzelnen, nur 160 Nanosekunden langen Mikrowellenimpuls erreichte der Sensor eine Messpräzision von 217 ± 8 Mikrovolt pro Zentimeter. Auch bei dieser Leistung blieben Detektionsverluste bestehen, doch das veränderte Messprotokoll verringerte ihren Einfluss auf das Ergebnis.
Entscheidend ist die Reihenfolge der einzelnen Schritte. Die Theorie zeigt, dass der Informationsgewinn ausbleibt, wenn die wesentlichen Verluste bereits auftreten, bevor die Anregungen miteinander wechselwirken.