Griffith Präzisionsmessung bringt es an die Grenze des Machbaren.

Forscher der Griffith University haben ein Verfahren demonstriert, das präzise Messungen von Geschwindigkeit, Beschleunigung, Materialeigenschaften und sogar Schwerewellen ermöglicht und sich der ultimativen Empfindlichkeit nähert, die die Gesetze der Quantenphysik erlauben.

In Nature Communications veröffentlicht, sah die Arbeit, wie das Griffith-Team unter der Leitung von Professor Geoff Pryde mit Photonen (einzelnen Lichtpartikeln) arbeitete und damit die zusätzliche Entfernung des Lichtstrahls im Vergleich zu seinem Partner-Referenzstrahl maß, während er durch die gemessene Probe ging – einen dünnen Kristall.

Die Forscher kombinierten drei Techniken – Verwicklung (eine Art Quantenverbindung, die zwischen den Photonen existieren kann), Hin- und Herbewegung der Strahlen entlang des Messpfades und eine speziell entwickelte Detektionstechnik.

„Jedes Mal, wenn ein Photon die Probe passiert, führt es eine Art Mini-Messung durch. Die Gesamtmessung ist die Kombination all dieser Mini-Messungen“, sagte Griffith’s Dr. Sergei Slussarenko, der das Experiment leitete. „Je öfter die Photonen passieren, desto genauer wird die Messung.

„Unser Schema wird als Blaupause für Werkzeuge dienen, die physikalische Parameter mit einer Genauigkeit messen können, die mit den gängigen Messgeräten buchstäblich unmöglich zu erreichen ist.

Der Hauptautor der Arbeit Dr. Shakib Daryanoosh sagte, dass diese Methode verwendet werden kann, um andere Quantensysteme zu untersuchen und zu messen.

„Diese können sehr empfindlich sein, und jedes Sondenphoton, das wir schicken, würde es stören. In diesem Fall ist der Einsatz von wenigen Photonen, aber auf die effizienteste Art und Weise entscheidend, und unser Schema zeigt, wie genau das geht“, sagte er.

Eine Strategie besteht zwar darin, einfach so viele Photonen wie möglich zu verwenden, aber das reicht nicht aus, um die ultimative Leistung zu erreichen. Dazu ist es notwendig, auch die maximale Menge an Messinformationen pro Photonendurchgang zu extrahieren, und das hat das Griffith-Experiment erreicht, das der so genannten Heisenberg-Grenze der Genauigkeit weit näher kommt als jedes vergleichbare Experiment.

Der verbleibende Fehler ist auf experimentelle Unvollkommenheit zurückzuführen, da das von Dr. Daryanoosh und Professor Howard Wiseman entworfene Schema in der Lage ist, theoretisch genau die Heisenberg-Grenze zu erreichen.

„Das wirklich Schöne an dieser Technik ist, dass sie funktioniert, auch wenn man keine gute Anfangsschätzung für die Messung hat“, sagte Prof. Wiseman. „Die bisherige Arbeit hat sich vor allem auf den Fall konzentriert, dass es möglich ist, eine sehr gute Anfangsannäherung zu machen, aber das ist nicht immer möglich.“

Ein paar zusätzliche Schritte sind erforderlich, bevor diese Proof-of-Principle-Demonstration außerhalb des Labors genutzt werden kann.

Die Herstellung von verschränkten Photonen ist mit der heutigen Technologie nicht einfach, und das bedeutet, dass es immer noch viel einfacher ist, viele Photonen ineffizient zu nutzen, als jeden Satz von verschränkten Photonen auf die bestmögliche Weise.

Allerdings, so das Team, können die Ideen hinter diesem Ansatz unmittelbare Anwendungen in Quantencomputeralgorithmen und der Forschung in der Grundlagenforschung finden.

Das Schema kann schließlich auf eine größere Anzahl von verschränkten Photonen ausgedehnt werden, wobei die Differenz der Heisenberg-Grenze über die normalerweise erreichbare Grenze signifikanter ist.

Mehr Informationen:
Shakib Daryanoosh et al, Experimentelle optische Phasenmessung, die sich der genauen Heisenberg-Grenze nähert, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06601-7

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