Quantensensoren mit verschränkten Kernspins

Das NuQuESTS-Projekt (Nuclear Quantum Entangled States Sensors) ist eine bahnbrechende Initiative, die darauf abzielt, Quanten-Technologien durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Kernspins in Edelgasen voranzutreiben. Unter der Leitung von Devang Naik ist das Projekt eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Innsbruck (UIBK) und dem Laboratoire Kastler Brossel (LKB) der Sorbonne. Es konzentriert sich auf die Entwicklung langlebiger Quantenzustände, miniaturisierter Quanten-Geräte und innovativer Kühltechnologien, die das Potenzial haben, die Quanten-Sensorik, Kommunikation und Metrologie zu revolutionieren. Im Mittelpunkt von NuQuESTS steht die Verwendung von Edelgasatomen wie 129Xe, deren Kernspins durch ihre geschlossenen Elektronenschalen natürlich abgeschirmt sind. Diese Abschirmung ermöglicht es, Quantenzustände über Stunden oder sogar Tage bei Raumtemperatur zu bewahren, wodurch die Einschränkungen traditioneller kryogener Systeme überwunden werden. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Plattform für nukleare Quantenoptik unter Verwendung von Hohlkernfasern auf Basis photonischer Kristalle (HCPCF), die sperrige Laboreinrichtungen durch kompakte, tragbare Geräte ersetzen. Diese Fasern ermöglichen die präzise Manipulation und Speicherung von Quantenzuständen in Anwendungen in der Quantenkommunikation, Magnetometrie, medizinischen Bildgebung und fundamentalen physikalischen Experimenten. Unter der Leitung von Prof. Helmut Ritsch erforscht die Universität Innsbruck die theoretische, computergestützte Modellierung von Exziplex-Potentialen und der Kollisionsdynamik. Exziplex-Moleküle aus Alkalimetallatomen wie 87Rb und Edelgasatomen wie 129Xe sind zentral für den innovativen Ansatz des Projekts. Die Kopplung von kollidierenden Grundzustandsatomen mit gebundenen Zuständen im Exziplex- Zustand erwartet eine dramatische Verbesserung der Spin-Transfer-Querschnitte zur effiziente Manipulation von Quantenzuständen erleichtert. Neben der Modellierung von Exziplexen implementiert UIBK Simulationen von Laserabsorption, Fluoreszenz und Spin-Transfer-Dynamiken innerhalb der HCPCF-Fasern. Lokale Experten wie Laurin Ostermann und Milan Onck untersuchn hier langlebige Kernspin Ensembles und verschränkte Zustände. Diese Bemühungen sind entscheidend, um, tragbare, vollständig faserbasierte Quanten-Geräte unter realen Bedingungen zu entwickeln. Innsbrucks Expertise in theoretischer Quantenoptik und Molekulardynamik wird durch die experimentellen Fähigkeiten des LKB ergänzt, wobei heoretische Erkenntnisse aus Innsbruck die experimentelle Implementation und Umsetzung am LKB leiten. Zusammenfassend stellt NuQuESTS einen wichtigen Schritt in Richtung praktischer Quantentechnologie dar, indem es die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Kernspins in Edelgasen in Quantengeräte tranferiert, die nicht nur leistungsstark, sondern auch praktisch sind und damit neue Horizonte in Wissenschaft und Technologie zu eröffnen.