Der Trick zur Schaffung eines besseren Quantensensors? Drücken Sie es einfach ein wenig.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler eine Technik namens „Quantenquetschen“ eingesetzt, um die Gaserkennungsleistung von Geräten zu verbessern, die als optische Frequenzkammlaser bekannt sind. Diese hochpräzisen Sensoren sind wie Fingerabdruckscanner für Gasmoleküle. Wissenschaftler haben sie verwendet, um Methanlecks in der Luft über Öl- und Gasbetrieben sowie Anzeichen von COVID-19-Infektionen in Atemproben von Menschen zu erkennen.
Jetzt haben Forscher in einer Reihe von Laborexperimenten einen Weg aufgezeigt, wie diese Art von Messungen noch empfindlicher und schneller gemacht werden können – indem sie die Geschwindigkeit von Frequenzkammdetektoren verdoppelt haben. Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen Scott Diddams von der CU Boulder Boulder und Jérôme Genest von der Université Laval in Kanada.
„Angenommen, Sie befanden sich in einer Situation, in der Sie winzige Mengen eines gefährlichen Gaslecks in einer Fabrikumgebung erkennen mussten“, sagte Diddams, Professor an der Fakultät für Elektrotechnik, Computer und Energietechnik. „Eine Zeitspanne von nur 10 statt 20 Minuten kann einen großen Unterschied in der Sicherheit der Menschen machen.“
Er und seine Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse am 16. Januar in der Zeitschrift Wissenschaft. Daniel Herman, Postdoktorand am ECEE, leitete die Studie.
Während normale Laser Licht nur in einer Farbe aussenden, senden Frequenzkammlaser Impulse in Tausenden bis Millionen Farben aus – und das alles gleichzeitig. In der neuen Studie verwendeten die Forscher herkömmliche optische Fasern, um die von diesen Lasern kommenden Impulse präzise zu manipulieren. Sie konnten dieses Licht „quetschen“, wodurch einige seiner Eigenschaften präziser und andere etwas zufälliger wurden.
Mit anderen Worten: Die Forschung stellt einen Sieg über einige der natürlichen Zufälligkeiten und Fluktuationen dar, die im Universum auf sehr kleinen Skalen existieren.
„Die Quantenunsicherheit zu überwinden ist schwer und nicht umsonst“, sagte Diddams. „Aber das ist ein wirklich wichtiger Schritt für einen leistungsstarken neuen Typ von Quantensensoren.“
Photonenstreiterei
Die Ergebnisse stellen den neuesten Schritt in der Entwicklung von Frequenzkämmen dar, einer Technologie, die am JILA, einem gemeinsamen Forschungsinstitut der CU Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST), geboren wurde. Diddams war Teil eines Teams unter der Leitung von Jan Hall von JILA, das Ende der 1990er Jahre als Erster Pionier bei Frequenzkammlasern war. Für diese Arbeit erhielt Hall 2005 den Nobelpreis für Physik.
Während sich diese Laserpulse beispielsweise durch die Atmosphäre bewegen, absorbieren Moleküle auf dem Weg bestimmte Lichtfarben, andere jedoch nicht. Wissenschaftler können anhand der im Laserlicht fehlenden Farben erkennen, was sich in der Luft befindet. Stellen Sie es sich ein bisschen wie einen Haarkamm vor, dem einige Zähne verloren gegangen sind – daher der Name.
Aber diese Messungen seien auch mit intrinsischen Unsicherheiten verbunden, sagte Diddams.
Er stellte fest, dass Licht aus winzigen Paketen besteht, die Photonen genannt werden. Auch wenn Laser von außen geordnet aussehen, sind ihre einzelnen Photonen alles andere als ordentlich.
„Wenn man diese Photonen detektiert, kommen sie nicht mit einer vollkommen gleichmäßigen Rate an, etwa einem pro Nanosekunde“, sagte Diddams. „Stattdessen treffen sie zu zufälligen Zeiten ein.“
Was wiederum zu einer sogenannten „Unschärfe“ in den Daten führt, die von einem Frequenzkammsensor zurückkommen.
Betreten Sie Quantenquetschen.
Den Druck geben
In der Quantenphysik sind viele Eigenschaften gekoppelt, sodass die genaue Messung einer davon die Messung der anderen ungenauer macht. Ein klassisches Beispiel ist die Geschwindigkeit und Position eines kleinen Teilchens wie eines Elektrons – man kann wissen, wo sich ein Elektron befindet oder wie schnell es sich bewegt, aber nie beides gleichzeitig. Quetschen ist eine Technik, die eine Art der Messung auf Kosten der anderen maximiert.
In einer Reihe von Laborexperimenten gelang Diddams und seinen Kollegen dieses Kunststück auf überraschend einfache Weise: Sie schickten ihre Frequenzkammlichtimpulse durch eine normale Glasfaser, die sich nicht so sehr von der unterscheidet, die das Internet zu Ihnen nach Hause bringt.
Die Struktur der Faser veränderte das Licht genau richtig, sodass die Photonen der Laser nun in gleichmäßigeren Abständen eintrafen. Doch dieser Zuwachs an Ordnung hatte seinen Preis. Es wurde etwas schwieriger, die Frequenz des Lichts zu messen oder wie die Photonen oszillierten, um bestimmte Farben zu erzeugen.
Dieser Kompromiss ermöglichte es den Forschern jedoch, Gasmoleküle mit viel weniger Fehlern als zuvor zu erkennen.
Sie testeten den Ansatz im Labor anhand von Proben von Schwefelwasserstoff, einem Molekül, das bei Vulkanausbrüchen häufig vorkommt und nach faulen Eiern riecht. Das Team berichtete, dass es diese Moleküle mit seinem gequetschten Frequenzkamm etwa doppelt so schnell erkennen konnte als mit einem herkömmlichen Gerät. Diesen Effekt konnten die Forscher auch über einen Bereich des Infrarotlichts erzielen, der rund 1.000-mal größer ist als das, was Wissenschaftler bisher erreicht hatten.
Der Konzern hat noch einiges zu tun, bevor er seinen neuen Sensor auf den Markt bringen kann.
„Aber unsere Ergebnisse zeigen, dass wir der Anwendung von Quantenfrequenzkämmen in realen Szenarien näher denn je sind“, sagte Herman.
Diddams stimmte zu: „Wissenschaftler nennen dies eine ‚Quantenbeschleunigung‘“, sagte er. „Wir konnten die grundlegenden Unsicherheitsbeziehungen in der Quantenmechanik manipulieren, um etwas schneller und besser zu messen.“
Zu den weiteren Co-Autoren der neuen Studie von CU Boulder gehörten Professor Joshua Combes; die Doktoranden Molly Kate Kreider, Noah Lordi, Eugene Tsao und Matthew Heyrich; und Postdoktorand Alexander Lind. Mathieu Walsh, ein Doktorand an der Université Laval, war ebenfalls Co-Autor.
Die Arbeit an der CU Boulder wurde von der US National Science Foundation durch das Quantum Systems through Entangled Science and Engineering (Q-SEnSE) Quantum Leap Challenge Institute und vom Office of Naval Research unterstützt.
