Chaos macht Quantensensoren noch präziser

| Redakteur: Julia Schmidt

Durch eine neue Methodik mit chaotischer Dynamik können Quantensensoren so eingestellt werden, dass sie robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen sind. Damit könnte die Messgenauigkeit um bis zu 70 Prozent verbessert werden.
Durch eine neue Methodik mit chaotischer Dynamik können Quantensensoren so eingestellt werden, dass sie robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen sind. Damit könnte die Messgenauigkeit um bis zu 70 Prozent verbessert werden. (Bild: Clipdealer)

Ein neu entwickeltes Verfahren soll die Messgenauigkeit hochpräziser Sensoren noch einmal um 70 Prozent verbessern.

Physiker der Universität Tübingen haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Messgenauigkeit hochpräziser Sensoren um 70 Prozent verbessern lässt. Quantensensoren erfassen Größen wie Temperatur, Magnetfeldstärke oder Beschleunigungen sehr genau. Und sie arbeiten noch exakter, wenn ihre Messdynamik chaotisch wird. Doktorand Lukas Fiderer und Professor Daniel Braun vom Institut für Theoretische Physik nutzten in einer Computersimulation schwache Laserpulse, um die Messdynamik eines Magnetfeld-Sensors gezielt zu stören. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachmagazin Nature Communications unter dem Titel „Quantum metrology with quantum-chaotic sensors“veröffentlicht.

Quantenchaos ist nicht unvorhersehbar

Quantenmetrologie ist ein Teilgebiet der Metrologie, der Wissenschaft des Messens. Sie unterscheidet sich von herkömmlichen Messmethoden, weil hier quantenmechanische Systeme wie Atome oder Photonen als Sensoren eingesetzt werden, die nur mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden können.

Herkömmliche klassische Sensoren folgen einer regulären, vorhersehbaren Messdynamik. Sie sind so konstruiert, dass Chaos ‒ so bezeichnet die theoretische Physik Dynamiken, in denen Störungen exponentiell stark anwachsen ‒ vermieden wird, da sonst die Messung von Parametern unvorhersehbar oder gar unmöglich wird. Quantenmechanische Sensoren folgen aber anderen Gesetzen: Das sogenannte Quantenchaos muss hier keineswegs mit Unvorhersehbarkeit einhergehen.

Die Wissenschaftler berechneten deshalb, wie sich die Messgenauigkeit ändert, wenn sich der Quantensensor nicht regulär verhält, sondern „zunehmend chaotisch“. Dafür beschrieben sie mit Formeln ein physikalisches Modell und simulierten dann einen Quantensensor, das sogenannte Atomdampf-Magnetometer, und dessen Messdynamik im Computer.

Die Sensoren sind robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen

Diese bereits sehr genauen Magnetfeld-Sensoren enthalten in einer Glaszelle einen Dampf aus Alkali-Atomen. Befindet sich die Zelle in einem Magnetfeld, drehen sich die Atome wie kleine Kompassnadeln. Indem man mit einem Laser die Richtung der Drehung ausmisst, wird das Magnetfeld gemessen. „In der Simulation haben wir die Atome während des Messvorgangs mit schwachen Laserpulsen beschossen, damit die Messdynamik chaotisch wird“, erklärt Lukas Fiderer, der diese Forschung im Rahmen seiner Masterarbeit begann hat und nun dazu promoviert.

Als Ergebnis habe man eine Verbesserung der Messgenauigkeit um 70 Prozent berechnen können. Ein entscheidender Vorteil sei, dass die chaotische Dynamik so eingestellt werden könne, dass der Sensor robuster gegenüber störenden Wechselwirkungen mit der Umgebung sei. Die Wissenschaftler haben den neuen Magnetfeldsensor bereits als Patent angemeldet. „Wir hoffen, dass unser Modell bald experimentell realisiert wird und gehen davon aus, dass die Methode Anwendung in verschiedenen Quantensensoren findet. So könnte sie ein Baustein auf dem Weg zu genaueren und robusteren Sensoren sein.“

Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

14.12.17 - Wissenschaftler am MPQ erreichen mit neuer Speicher­technik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite Teleportation von Quanten­information ermöglichen. lesen

Supraleitender Quantensimulator könnte komplizierte biologische Prozesse abbilden

Supraleitender Quantensimulator könnte komplizierte biologische Prozesse abbilden

09.10.17 - Wirbelstürme, Verkehrsstaus, die demographische Entwicklung: Will man die Wirkung solcher Ereignisse vorhersagen, leisten Computersimulationen wichtige Dienste. Viele Prozesse sind allerdings so kompliziert, dass herkömmliche Computer bei der Berechnung versagen. Hier setzen Forscher große Hoffnungen in Quantensimulatoren. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45244752 / Sensorik)