Besser messen durch unterdrücktes Quantenrauschen

Workgroup Schmiedmayer Group , Schumm Group


28. Jun 2013  — An der TU Wien wurde ein Interferometer mit gefangenen ultrakalten Atomwolken gebaut. Diese Methode erlaubt, durch Unterdrücken des Quantenrauschens präziser und länger zu messen als bisher.



Will man etwas ganz besonders genau messen – etwa minimale Längenänderungen – dann verwendet man heute oft Interferometer, in denen Lichtwellen miteinander überlagert werden. Manches lässt sich aber nur mit Teilchen messen, die eine Masse haben, zum Beispiel Änderungen in der Schwerkraft oder  die Kräfte in der Nähe einer Oberfläche. Da nach den Regeln der Quantenphysik auch Masseteilchen Welleneigenschaften aufweisen, kann man auch für sie Interferometer bauen, in denen statt Licht Atome oder sogar ganze Atomwolken verwendet werden. An der TU Wien gelang es nun, ein Mach-Zehnder Interferometer für ultrakalte gefangene Bose-Einstein-Kondensate herzustellen, die aus etwa tausend Atomen bestehen.

Durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen wird das Quantenrauschen unterdrückt, das sonst oft die erreichbare Messgenauigkeit limitiert.  Im Experiment konnte dadurch die Messzeit verdreifacht und die Messgenauigkeit signifikant verbessert werden.

Mach-Zehnder-Interferometer für ultrakalte Atomwolken
Das Team von Prof. Jörg Schmiedmayer (Vienna Center for Quantum Science and Technology – VCQ, Atominstitut der TU Wien) griff die in der Physik wohlbekannte Idee des Mach-Zehnder-Interferometers neu auf: Eine Welle wird auf zwei Wege aufgeteilt, die dann wieder miteinander überlagert werden. Aus der Art, wie die beiden Wellen bei der Überlagerung interferieren, lässt sich hochpräzise ablesen, welche Kräfte unterwegs auf die Teilchen gewirkt haben. Nach diesem Grundprinzip wurden auch schon 1974 am Reaktor des Wiener Atominstituts zum ersten mal Interferometrie-Experimente mit Materiewellen durchgeführt. Damals wurden Neutronen verwendet.

An der TU Wien wurden statt einzelner Teilchen nun ganze Atom-Wolken eingesetzt. Bei extrem tiefen Temperaturen, knapp über dem absoluten Nullpunkt, verlieren die Atome ihre Individualität und verschmelzen zu einem einzigen Quantenobjekt – einem Bose-Einstein-Kondensat. „In einem solchen Kondensat bilden alle Atome eine gemeinsame Quanten-Welle, ganz ähnlich wie sich Lichtteilchen in einem Laserstrahl quantenmechanisch als gemeinsames Quanten-Objekt verhalten“, erklärt Jörg Schmiedmayer.

In herkömmlichen Interferometern bewegen sich die Atome frei, und die Messzeit ist durch die Flugzeit begrenzt. Wenn die Teilchen am Ende der Flugstrecke ankommen, ist die Messung zu Ende. In dem neuen Interferometer an der TU Wien werden die Bose-Einstein-Kondensate nun allerdings die ganze Zeit über in einer Atom-Falle gehalten.  Damit kann im Prinzip beliebig lange gemessen werden.

Schrotrauschen als Grund für Ungenauigkeit
„Atom-Interferometer werden heute in vielen Präzisions-Messgeräten eingesetzt. Allerdings lässt sich ihre Genauigkeit auch mit der besten Technik nicht beliebig verbessern“, erklärt Tarik Berrada, Erstautor der nun erschienenen Publikation im Fachjournal „Nature Communications“.

Normalerweise wird die mögliche Präzision durch das sogenannte „Schrotrauschen“ limitiert. Es entsteht dadurch, dass man es in den Quanten-Strahlen nicht mit einem kontinuierlichen Strom zu tun hat, sondern mit einzelnen diskreten Teilchen. Ähnlich verhält sich das Rauschen des Regens, der auf ein Blechdach trifft: Weil der Regen in Form einzelner Tropfen fällt, entsteht ein „plätscherndes“ Rauschen – fiele er in Form eines kontinuierlichen Wasserstrahls, würde man ein uniformes Dröhnen hören.

Beim Aufspalten einer Atomwolke in zwei Teile sorgt dieses Schrotrauschen dafür, dass die Atomzahl auf beiden Seiten unbestimmt ist: Atome befinden sich in beiden Teilen der Wolke gleichzeitig, die Quantenphysik legt nicht fest, wie viele von ihnen sich im rechten und wie viele im linken Teil aufhalten.  „Durch Wechselwirkungen zwischen den Atomen überträgt sich diese Unschärfe in der Atomzahl in ein Rauschen der Quantenphase“, sagt Tarik Berrada. Diese Phase - der Takt, in dem die beiden Teile der Atomwolke quantenmechanisch schwingen - ist nicht mehr exakt bestimmbar, dadurch wird die Genauigkeit der Messung begrenzt.

An der TU Wien wurden nun die Kondensate in ganz bestimmten Quantenzuständen präpariert: „Mit sogenannte Squeezed States, in dem die Atome stark miteinander verschränkt sind, können wir die Atomzahl-Unschärfe verringern“, sagt Jörg Schmiedmayer. Mit dieser Technik ist die Messgenauigkeit prinzipiell nur noch durch Heisenbergs Unschärferelation beschränkt – genauer als sie erlaubt wird man niemals messen können.

Winzige Gravitations-Unterschiede messbar
Wie mächtig die Methode ist, konnte in einer Gravitations-Messung unter Beweis gestellt werden: Nach dem Aufteilen des Bose-Einstein-Kondensats in zwei einzelne Atom-Wolken wurde die eine Wolke im Vergleich zur anderen um etwa 100 Nanometer angehoben. Dadurch hat die höhergelegene Wolke minimal mehr Gravitations-Energie als die andere. Auch wenn dieser Unterschied unvorstellbar klein ist, konnte er im Interferometer eindeutig gemessen werden. Solche Präzision ist heute zwar auch mit anderen Interferometrie-Methoden erreichbar, doch durch die Unterdrückung des Quantenrauschens kann bei der Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten  in Zukunft die Genauigkeit noch deutlich gesteigert werden.

„Die Schwierigkeit dabei war, für alle Bauteile des optischen Mach-Zehnder-Interferometers entsprechende Komponente für Bose-Einstein-Kondensate zu entwickeln“, sagt Tarik Berrada. Möglich wurde das durch einen Atom-Chip, der mit elektromagnetischen Feldern die Atomwolken ganz präzise steuern und manipulieren kann. Was bei anderen Mach-Zehnder-Interferometern oft einfach ist braucht bei der Variante für Bose-Einstein-Kondensate aufwändige technologische Lösungen. So lassen sich beispielsweise zwei Lichtstrahlen in einem Licht-Interferometer mit einer ganz simplen halbverspiegelten Platte wieder überlagern – das Zusammenführen der beiden Atomwolken hingegen gelingt nur mit deutlich größerem Aufwand, indem beide Kondensate auf eine genau abstimmbare magnetische Potenzialbarriere „geworfen“ werden.