Quantensensor besteht Stresstest: Jagd auf Dunkle Materie rückt näher
Ein Experiment am Imperial College zeigt, wie Quantensensoren trotz massivem Rauschen schwache Signale sichtbar machen können.
Forschende zeigen erstmals unter realistischen Bedingungen, wie Quantensensoren störendes Rauschen ausblenden und neue Signale sichtbar machen. Hier wird die Polarisation des blauen Lichts verändert, bevor es zur Kühlung der Atome auf den absoluten Nullpunkt verwendet wird.
Foto: Dr Thomas Walker, Imperial College London
Die Forschenden haben keine Dunkle Materie entdeckt. Dennoch könnte ihr Experiment den Weg zu einer neuen Generation von Detektoren ebnen. Ein Team des Imperial College London hat gezeigt, dass sich ein zentrales Problem hochpräziser Quantensensoren lösen lässt: das störende Hintergrundrauschen. Genau dieses Rauschen verhindert bislang oft, dass extrem schwache Signale aus dem Universum überhaupt sichtbar werden.
Die Ergebnisse, die jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, gelten als wichtiger Nachweis für ein Messprinzip, auf dem künftige Großexperimente zur Suche nach Dunkler Materie und bislang unentdeckten Gravitationswellen aufbauen sollen.
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Wenn das Messgerät selbst zum Problem wird
Die moderne Physik sucht nach Signalen, die kaum messbar sind. Dazu gehören Gravitationswellen aus dem frühen Universum oder mögliche Hinweise auf bislang unbekannte Formen Dunkler Materie.
Dunkle Materie macht nach heutigen Modellen einen großen Teil der Materie im Universum aus. Sichtbar ist sie jedoch nicht. Forschende können ihre Existenz bislang nur indirekt über ihre Gravitationswirkung auf Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen nachweisen.
Um solchen Phänomenen auf die Spur zu kommen, setzen Physikerinnen und Physiker zunehmend auf Quantensensoren. Besonders vielversprechend sind sogenannte Atominterferometer. Diese Instrumente nutzen Laser und ultrakalte Atome, um selbst kleinste Veränderungen in Bewegung, Beschleunigung oder Gravitation zu messen.
Doch genau hier liegt ein Problem: Die Laser erzeugen selbst Störungen. Dieses sogenannte Phasenrauschen kann die gesuchten Signale um ein Vielfaches überdecken.
Zwei Messungen sind besser als eine
Die Idee hinter dem neuen Ansatz ist vergleichsweise einfach. Statt nur ein Atominterferometer zu betreiben, verwenden die Forschenden zwei räumlich getrennte Systeme.
Beide werden mit demselben Laser angesteuert. Dadurch wirkt sich das störende Laserrauschen auf beide Messungen nahezu identisch aus. Vergleicht man anschließend die Ergebnisse miteinander, lassen sich die gemeinsamen Störungen weitgehend herausrechnen.
Theoretisch war dieses Verfahren bereits seit Jahren bekannt. Bisher fehlte jedoch der experimentelle Nachweis, dass es auch unter realistischen Bedingungen funktioniert. Genau das wollten die Forschenden nun überprüfen.
Forschende erzeugten absichtlich extremes Rauschen
Im Ultracold Strontium Laboratory des Imperial College bauten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Versuchsaufbau mit zwei getrennten Wolken aus ultrakalten Strontium-87-Atomen auf. Beide Atomwolken wurden mit demselben hochstabilen Laser vermessen.
Anschließend verschlechterte das Team die Bedingungen bewusst. Die Forschenden speisten zusätzliches Phasenrauschen in das System ein – deutlich mehr, als moderne Taktlaser normalerweise erzeugen. Ziel war es, die Bedingungen künftiger Großdetektoren möglichst realistisch nachzubilden.
Das Ergebnis fiel zunächst ernüchternd aus. Betrachtete man jedes Interferometer einzeln, gingen die eigentlichen Messsignale nahezu vollständig im Rauschen unter. Die typischen Interferenzmuster waren kaum noch erkennbar.
Beim Vergleich beider Messsysteme zeigte sich jedoch ein völlig anderes Bild. Obwohl die Einzelmessungen praktisch unbrauchbar waren, ließ sich das zugrunde liegende Signal wieder sichtbar machen.
Besonders wichtig: Die kombinierte Messung erreichte die fundamentale Genauigkeitsgrenze, die durch die Quantenphysik selbst vorgegeben wird. Das bedeutet, dass nicht mehr technische Störungen die Messung begrenzen, sondern nur noch die Naturgesetze.
Test mit künstlichem Signal bestanden
Die Forschenden gingen noch einen Schritt weiter. Sie speisten zusätzlich ein künstliches Schwingungssignal in den Versuchsaufbau ein. Ein solches Signal ähnelt den Effekten, die etwa eine vorbeiziehende Gravitationswelle oder ein Feld aus Dunkler Materie verursachen könnte.
Auch unter den extremen Störbedingungen blieb dieses Signal nachweisbar. Damit gelang erstmals eine experimentelle Bestätigung eines Schlüsselprinzips, auf dem viele geplante Quantendetektoren basieren.
Dr. Charles Baynham vom Imperial College London sagt: „Wir wissen schon seit langem, dass Quantensensoren uns helfen können, das Universum zu verstehen, aber erst seit kurzem ist es möglich, sie mit der erforderlichen Auflösung zu bauen.“ Weiter erklärt er: „Wir sind ungemein stolz auf die Bemühungen unseres Teams, diese Sensoren Wirklichkeit werden zu lassen.“
Experiment soll im CERN skaliert werden
Der aktuelle Aufbau passt noch auf einen Labortisch. Die Forschenden sehen darin jedoch vor allem einen Technologiedemonstrator für deutlich größere Anlagen.
Das Experiment ist Teil des britischen Forschungsprogramms AION (Atom Interferometer Observatory and Network). Ziel des Projekts ist die Entwicklung großskaliger Quantensensoren für die Grundlagenforschung.
Parallel arbeiten Forschende in den USA am MAGIS-Projekt am Fermilab. Darüber hinaus wird mit dem „Atom Interferometry CERN Experiment“ (AICE) ein Konzept diskutiert, bei dem ähnliche Technologien über wesentlich größere Entfernungen eingesetzt werden könnten.
Solche Anlagen würden andere Frequenzbereiche von Gravitationswellen untersuchen als heutige Detektoren wie LIGO oder Virgo. Gleichzeitig könnten sie nach neuen physikalischen Feldern suchen, die mit bestimmten Modellen Dunkler Materie in Verbindung stehen.
Dr. Richard Hobson vom Imperial College sieht darin großes Potenzial: „Unser aktuelles Experiment ist zwar nur ein Prototyp, doch die Skalierung auf eine Anlage in Originalgröße in Laboren wie dem CERN oder dem Fermilab wird es uns ermöglichen, einige der tiefsten Geheimnisse der Physik zu ergründen, darunter die Natur der Dunklen Materie.“
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