Limitierungen und Potential nicht-lokaler Quantenmetrologie

Präzisionsmessungen verschiedener physikalischer Größen und Eigenschaften spielen nicht nur in der Physik und anderen Naturwissenschaften eine zentrale Rolle, sondern sind auch für technische Anwendungen relevant. So ist z.B. eine präzise Zeitmessung mit Atomuhren die Basis für eine genaue Positionsbestimmung via GPS. Die Quantenphysik ermöglicht dabei eine signifikant erhöhte Genauigkeit, und es wird versucht diese Vorteile in der Praxis umzusetzen. Bisher konzentrieren sich diese Bemühungen auf die lokale Messung von verschiedenen Größen, wie etwa der Stärke von Magnetfeldern oder des Erdgravitationsfeldes. Die Fortschritte bei den Quantentechnologien der letzten Jahre ermöglichen aber nicht nur die lokale Kontrolle und Manipulation von einzelnen Atomen und anderen Quantenobjekten, sondern eröffnen auch die Möglichkeit diese über große Entfernungen miteinander zu verschränken und zu gezielt zu manipulieren. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit solchen nicht-lokalen Quantennetzwerken und deren Einsatz als Sensornetzwerken. Gekoppelte, räumlich verteilte Sensoren ermöglichen die Messung von ortsabhängigen Größen mit erhöhter Genauigkeit, wie etwa lokalen Änderungen oder einfallende Wellen, aber auch eine Erhöhung der Auflösung wie etwa bei zusammengeschalteten Teleskopen. In diesem Forschungsprojekt werden Methoden und Protokolle entwickelt, wie man verschränkte Quantensysteme für solche Messungen verwenden kann. Dabei wird der Frage nachgegangen, welche Quantenzustände man dafür benötigt, und wie diese erzeugt und gemessen werden können. Kleine Störungen und Rauschen sind allerdings ein großes Hindernis, weil sie den Quantenvorteil zunichtemachen. Ein wesentliches Ziel des Projektes ist es deshalb, Verfahren und Möglichkeiten zu finden mit (korrelierten) Rauschprozessen umzugehen, und diese weitestgehend zu unterdrücken. Ebenso werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von nicht-lokaler Quantennetzwerke, etwa für gekoppelte Teleskope, untersucht. Sensornetzwerke tauchen allerdings nicht nur in weit voneinander entfernten Systemen auf. Im Prinzip ist jede Anordnung von einzelnen Sensoren, die sich an unterschiedlichen Positionen befinden ein Sensornetzwerk und deshalb z.B. auch eine Anordnung von einzelnen Atomen in einer elektromagnetischen Falle, oder auch von verschiedenen Fehlstellen in einem Diamantgitter. Wir werden untersuchen, ob die von uns entwickelten Methoden und Ansätze auch in diesem Zusammenhang eingesetzt werden können etwa für Atomuhren mit erhöhter Genauigkeit, oder für sogenannte NV-center Mikroskope. Obwohl die zugrundeliegenden Systeme vollkommen unterschiedlich sind, sind die Techniken und Methoden universell einsetzbar. Wir werden darüber hinaus die entwickelten Techniken zum Umgang mit korreliertem Rauschen auch in anderen, verwandten Problemen jenseits von Sensornetzwerken einsetzen, u.a. für Verschränkungsschalter sowie für Quantensimulatoren.