Entanglement-enhanced optical magnetometry beyond the standard quantum limit

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Flüstern in einem Raum voller schreiender Menschen zu hören. In der Welt der Wissenschaft ist dies das, was passiert, wenn Forscher versuchen, unglaublich winzige Magnetfelder zu messen, wie sie beispielsweise vom menschlichen Gehirn oder dem Erdkern erzeugt werden. Um dies zu tun, verwenden sie eine spezielle Art von „Mikrofon“, das aus Licht und Atomen besteht. Es gibt jedoch einen Haken: Der Akt des Zuhörens selbst erzeugt Rauschen. Wenn man ein helles Licht verwendet, um besser zu sehen, prallt das Licht selbst gegen die Atome, die man messen möchte, und stößt sie umher, was eine neue Art von statischem Rauschen erzeugt. Dies führt zu einer frustrierenden Regel in der Physik, dem sogenannten „Standard-Quantenlimit“. Es ist wie ein kosmisches Tempolimit, das besagt, dass man seine Messung nicht perfekt machen kann, weil die Verbesserung eines Teils des Signals (das Licht heller zu machen) automatisch einen anderen Teil schlechter macht (die Atome stärker anzustoßen). Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass dies das absolut Beste sei, was man tun könne, ohne die Gesetze der Physik zu brechen.

Aber was wäre, wenn man das System umgehen könnte? Was wäre, wenn man einen geheimen Trick anwenden könnte, bei dem das Rauschen in einem Teil Ihrer Messung das Rauschen in einem anderen Teil aufhebt? Dies ist die Idee hinter der „Quantenverschränkung“, einer unheimlichen Verbindung, bei der zwei Teilchen so eng miteinander verknüpft sind, dass das, was mit dem einen geschieht, das andere augenblicklich beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Wenn man das Messlicht mit einem zweiten „Referenzlicht“ verknüpft, könnte man das Rauschen vorhersagen und abziehen, bevor es die Messung ruiniert. Das ist nicht nur ein cooler Partytrick; es könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir Herzschläge aufspüren, das Erdmagnetfeld kartieren oder sogar verborgene Mineralien finden, vorausgesetzt, wir können es in einem realen Labor tatsächlich umsetzen.

Der große Durchbruch der Arbeit

In dieser Arbeit zeigt ein Team von Wissenschaftlern des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen, dass es erfolgreich dieses „kosmische Tempolimit“ durchbrochen hat. Sie bauten einen supersensiblen Magnetsensor, der eine Wolke aus Cäsiumatomen bei Raumtemperatur und einen cleveren Trick mit Licht verwendet, um Flüstern zu hören, das zuvor im Quantenrauschen untergegangen wäre.

So haben sie es gemacht, unter Verwendung einer einfachen Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Windgeschwindigkeit zu messen, indem Sie beobachten, wie eine Flagge flattert.

1. Das Problem: Wenn Sie die Flagge mit einer superhellen Taschenlampe (dem Probelicht) zu genau beobachten, drückt das Licht selbst die Flagge, was sie wild flattern lässt. Dies ist die „Rückwirkung“ (Backaction). Wenn Sie ein schwaches Licht verwenden, können Sie die Flagge nicht klar sehen, was an der „Unschärfe“ (Impräzision) des Lichts liegt. Man steckt in der Falle, entweder zu blind oder zu tollpatschig zu sein.
2. Der erste Trick (Variabler Readout): Das Team versuchte zuerst eine Technik namens „variabler Readout“. Stellen Sie sich vor, Sie schauen nicht nur gerade auf die Flagge, sondern neigen Ihren Kopf zur Seite. Indem sie den Winkel veränderten, unter dem sie die Flagge betrachteten, fanden sie einen idealen Punkt (Sweet Spot), an dem der Druck des Lichts und die Unschärfe des Lichts zusammenwirkten, um einander aufzuheben, anstatt gegeneinander zu kämpfen. Dies machte den Sensor besser, aber nur für einen sehr engen Bereich von Windgeschwindigkeiten.
3. Der zweite Trick (Verschränkung): Um noch besser zu werden, brachten sie einen „magischen Zwilling“ ins Spiel. Sie erzeugten zwei Lichtstrahlen, die „verschränkt“ waren, was bedeutet, dass sie Quanten-Zwillinge waren. Ein Strahl ging durch die Atomwolke, um das Magnetfeld zu messen, während der andere Strahl sicher als Referenz blieb. Da die Zwillinge miteinander verknüpft waren, sagte ihnen das Rauschen im Referenzstrahl genau, welche Art von Rauschen im Messstrahl zu erwarten war. Sie nutzten diese Information, um das Rauschen zu „subtrahieren“, was das statische Rauschen effektiv zum Schweigen brachte.

Was sie fanden

Durch die Kombination dieser beiden Tricks – das Neigen der Sichtweise und das Nutzen des verschränkten Zwillings – erreichte das Team etwas Bemerkenswertes. Es gelang ihnen, Magnetfelder mit einer Empfindlichkeit zu messen, die um 2,1 ± 0,3 Dezibel (dB) besser ist als das Standard-Quantenlimit. Um dies in Perspektive zu setzen: Sie haben nicht nur die Oberfläche berührt; sie haben eine Barriere durchbrochen, von der man annahm, sie sei die bestmögliche Leistung für diesen Typ von Sensor.

Sie testeten dies in einem „niederfrequenten akustischen“ Bereich, spezifisch hinunter bis etwa 7 kHz. Das ist eine große Sache, da die meisten bisherigen Versuche dieser Art von super-sensitiver Messung nur bei viel höheren Frequenzen (wie Radiowellen) funktionierten. Durch das Vorstoßen bis auf 7 kHz öffneten sie die Tür zur Detektion von Signalen, die für reale Anwendungen relevant sind, wie etwa biomagnetische Signale (welche sehr langsam und schwach sind).

Die Grenzen und die Zukunft

Das Papier ist sich sehr darüber im Klaren, was sie getan haben und was sie nicht getan haben. Sie bewiesen, dass man durch die Entwicklung dieser Quantenkorrelationen das Standard-Quantenlimit tatsächlich übertreffen kann. Sie merkten jedoch auch an, dass diese Verbesserung nicht überall magisch ist. Die „Rauschunterdrückung“ funktionierte am besten in einem spezifischen Frequenzfenster. Unterhalb von 5 kHz drängte andere Arten von Rauschen (technisches Rauschen der Ausrüstung) hinein, was die Grenze dessen einschränkte, wie viel besser sie werden konnten. Sie zeigten auch, dass es nicht hilft, einfach die Leistung des Lichts zu erhöhen; schließlich werden die Atome zu stark gestört, und der Sensor wird schlechter.

Die Forscher haben nicht nur geraten, dass dies funktionieren würde; sie haben es gemessen. Sie kalibrierten ihre Ausrüstung sorgfältig, schlossen andere Fehlerquellen aus und zeigten, dass ihre Ergebnisse mit ihren theoretischen Modellen übereinstimmten. Sie demonstrierten, dass dieser „hybride“ Ansatz (die Kombination aus dem Winkel-Trick und dem Verschränkungs-Trick) es ihnen ermöglicht, den Sensor genau dort supersensitiv einzustellen, wo er benötigt wird, anstatt an eine feste Empfindlichkeit gebunden zu sein.

Kurz gesagt zeigt diese Arbeit, dass wir Magnetsensoren bauen können, die schärfer sind, als es die Gesetze der Physik einst für möglich hielten, sofern wir die seltsamen, wunderbaren Regeln der Quantenmechanik zu unserem Vorteil nutzen. Es ist ein Schritt hin zu Sensoren, die eines Tages in der Lage sein könnten, den magnetischen Flüstern des menschlichen Gehirns oder der Erde mit beispielloser Klarheit „zuzuhören“.