Quantum Steering für präzisere Messungen

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Einstein-Podolski-Rosen-Korrelationen können für Präzisionsmessungen verwendet werden. (Bild: Jurik Peter, Shutterstock)

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Quantensysteme, die aus mehreren Teilchen bestehen, können verwendet werden, um magnetische oder elektrische Felder genauer zu messen. Ein junger Physiker an der Universität Basel hat nun ein neues Schema für solche Messungen vorgeschlagen, das eine bestimmte Art der Korrelation zwischen Quantenteilchen verwendet.

Quantenlenkung für genauere Messungen

Basel, Schweiz | Veröffentlicht am 23. April 2021

In der Quanteninformation werden die fiktiven Agenten Alice und Bob häufig verwendet, um komplexe Kommunikationsaufgaben zu veranschaulichen. In einem solchen Prozess kann Alice verschränkte Quantenteilchen wie Photonen verwenden, um einen Quantenzustand, der selbst ihr unbekannt ist, an Bob zu übertragen oder zu „teleportieren“, was mit herkömmlicher Kommunikation nicht möglich ist.

Es war jedoch unklar, ob das Team Alice-Bob ähnliche Quantenzustände neben der Kommunikation auch für andere Zwecke verwenden kann. Ein junger Physiker an der Universität Basel hat nun gezeigt, wie bestimmte Arten von Quantenzuständen verwendet werden können, um Messungen mit höherer Präzision durchzuführen, als es die Quantenphysik normalerweise zulässt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Quantenlenkung in einiger Entfernung

Dr. Matteo Fadel, der am Institut für Physik der Universität Basel arbeitet, hat gemeinsam mit Forschern in Großbritannien und Frankreich darüber nachgedacht, wie hochpräzise Messaufgaben mit Hilfe der sogenannten Quantensteuerung angegangen werden können.

Die Quantensteuerung beschreibt die Tatsache, dass in bestimmten Quantenzuständen von Systemen, die aus zwei Teilchen bestehen, eine Messung am ersten Teilchen genauere Vorhersagen über mögliche Messergebnisse am zweiten Teilchen ermöglicht, als dies die Quantenmechanik zulassen würde, wenn nur die Messung am zweiten Teilchen möglich wäre Teilchen war gemacht worden. Es ist, als hätte die Messung am ersten Teilchen den Zustand des zweiten Teilchens „gesteuert“.

Dieses Phänomen ist auch als EPR-Paradoxon bekannt, benannt nach Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, die es erstmals 1935 beschrieben haben. Bemerkenswert ist, dass es auch dann funktioniert, wenn die Teilchen weit voneinander entfernt sind, weil sie quantenmechanisch sind ?verstrickt? und können sich in einiger Entfernung fühlen. Dies ermöglicht Alice auch, ihren Quantenzustand in Quantenteleportation an Bob zu übertragen.

„Für die Quantensteuerung müssen die Teilchen auf ganz besondere Weise miteinander verwickelt werden“, erklärt Fadel. "Wir waren daran interessiert zu verstehen, ob dies für bessere Messungen verwendet werden kann." Das von ihm vorgeschlagene Messverfahren besteht darin, dass Alice eine Messung an ihrem Partikel durchführt und das Ergebnis an Bob überträgt.

Dank der Quantensteuerung kann Bob dann sein Messgerät so einstellen, dass der Messfehler an seinem Partikel kleiner ist als ohne Alices Informationen. Auf diese Weise kann Bob beispielsweise magnetische oder elektrische Felder, die auf seine Partikel wirken, mit hoher Präzision messen.

Systematische Untersuchung lenkverstärkter Messungen

Die Studie von Fadel und seinen Kollegen ermöglicht es nun, die Nützlichkeit der Quantensteuerung für messtechnische Anwendungen systematisch zu untersuchen und zu demonstrieren. „Die Idee dazu entstand aus einem Experiment, das wir bereits 2018 im Labor von Professor Philipp Treutlein an der Universität Basel durchgeführt haben“, sagt Fadel.

„In diesem Experiment konnten wir zum ersten Mal die Quantensteuerung zwischen zwei Wolken mit jeweils Hunderten von kalten Atomen messen. Danach haben wir uns gefragt, ob es möglich sein könnte, damit etwas Nützliches zu tun. “ In seiner Arbeit hat Fadel nun eine solide mathematische Grundlage für die Realisierung realer Messanwendungen geschaffen, die die Quantensteuerung als Ressource verwenden.

„In einigen einfachen Fällen wussten wir bereits, dass es einen Zusammenhang zwischen dem EPR-Paradoxon und Präzisionsmessungen gibt“, sagt Treutlein. "Aber jetzt haben wir einen allgemeinen theoretischen Rahmen, auf dessen Grundlage wir auch neue Strategien für die Quantenmetrologie entwickeln können." Forscher arbeiten bereits daran, Fadels Ideen experimentell zu demonstrieren. Dies könnte in Zukunft zu neuen quantenverstärkten Messgeräten führen.

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