Physiker machen sich die Quanten-„Zeitumkehr“ zunutze, um vibrierende Atome zu messen

Die Quantenschwingungen in Atomen enthalten eine Miniaturwelt von Informationen. Wenn Wissenschaftler diese atomaren Schwingungen genau messen können und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln, können sie die Präzision von Atomuhren und Quantensensoren verfeinern, die Systeme von Atomen sind, deren Schwankungen das Vorhandensein von dunkler Materie, einer vorbeiziehenden Gravitationswelle, oder sogar neue, unerwartete Phänomene.

Eine große Hürde auf dem Weg zu besseren Quantenmessungen ist das Rauschen aus der klassischen Welt, das leicht subtile Atomschwingungen überwältigen kann, wodurch Änderungen an diesen Schwingungen teuflisch schwer zu erkennen sind.

Jetzt haben MIT-Physiker gezeigt, dass sie Quantenänderungen in Atomschwingungen signifikant verstärken können, indem sie die Teilchen zwei Schlüsselprozessen unterziehen: Quantenverschränkung und Zeitumkehr.

Bevor Sie anfangen, DeLoreans zu kaufen, nein, sie haben keine Möglichkeit gefunden, die Zeit selbst umzukehren. Vielmehr haben die Physiker quantenverschränkte Atome so manipuliert, dass sich die Teilchen so verhalten, als würden sie sich zeitlich rückwärts entwickeln. Als die Forscher das Band der atomaren Schwingungen effektiv zurückspulten, wurden alle Änderungen dieser Schwingungen auf eine Weise verstärkt, die leicht gemessen werden konnte.

In einer heute erscheinenden Zeitung in Naturphysikzeigt das Team, dass die Technik, die sie SATIN (für Signalverstärkung durch Zeitumkehrung) nannten, die empfindlichste Methode zur Messung von Quantenfluktuationen ist, die bisher entwickelt wurde.

Die Technik könnte die Genauigkeit aktueller hochmoderner Atomuhren um den Faktor 15 verbessern, wodurch ihr Timing so präzise wird, dass die Uhren über das gesamte Alter des Universums hinweg weniger als 20 Millisekunden nachgehen würden. Die Methode könnte auch verwendet werden, um Quantensensoren weiter zu fokussieren, die darauf ausgelegt sind, Gravitationswellen, dunkle Materie und andere physikalische Phänomene zu erkennen.

„Wir glauben, dass dies das Paradigma der Zukunft ist“, sagt Hauptautor Vladan Vuletic, Lester-Wolfe-Professor für Physik am MIT. „Jede Quanteninterferenz, die mit vielen Atomen funktioniert, kann von dieser Technik profitieren.“

Zu den MIT-Co-Autoren der Studie gehören die Erstautorin Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez und Chi Shu.

Verstrickte Zeitnehmer

Eine bestimmte Art von Atom schwingt mit einer bestimmten und konstanten Frequenz, die, wenn sie richtig gemessen wird, als sehr präzises Pendel dienen kann, das die Zeit in viel kürzeren Intervallen hält als die Sekunde einer Küchenuhr. Aber auf der Ebene eines einzelnen Atoms übernehmen die Gesetze der Quantenmechanik, und die Schwingung des Atoms ändert sich wie das Gesicht einer Münze, wenn es geworfen wird. Nur durch viele Messungen eines Atoms können Wissenschaftler seine tatsächliche Schwingung abschätzen – eine Einschränkung, die als Standard-Quantengrenze bekannt ist.

In hochmodernen Atomuhren messen Physiker die Schwingung tausender ultrakalter Atome um ein Vielfaches, um ihre Chance auf eine genaue Messung zu erhöhen. Dennoch weisen diese Systeme eine gewisse Unsicherheit auf, und ihre Zeitmessung könnte genauer sein.

Im Jahr 2020 zeigte die Gruppe von Vuletic, dass die Präzision aktueller Atomuhren durch Verschränkung der Atome verbessert werden könnte – ein Quantenphänomen, durch das Teilchen dazu gezwungen werden, sich in einem kollektiven, stark korrelierten Zustand zu verhalten. In diesem verschränkten Zustand sollten sich die Schwingungen einzelner Atome in Richtung einer gemeinsamen Frequenz verschieben, für deren genaue Messung weitaus weniger Versuche erforderlich wären.

„Damals waren wir noch dadurch eingeschränkt, wie gut wir die Taktphase auslesen konnten“, sagt Vuletic.

Das heißt, die Werkzeuge, die zur Messung atomarer Schwingungen verwendet wurden, waren nicht empfindlich genug, um subtile Änderungen in den kollektiven Schwingungen der Atome auszulesen oder zu messen.

Kehre das Vorzeichen um

In ihrer neuen Studie versuchte das Team, anstatt zu versuchen, die Auflösung bestehender Auslesewerkzeuge zu verbessern, das Signal von jeder Änderung der Oszillationen zu verstärken, sodass sie von aktuellen Werkzeugen gelesen werden konnten. Sie taten dies, indem sie sich ein anderes merkwürdiges Phänomen in der Quantenmechanik zunutze machten: die Zeitumkehr.

Es wird angenommen, dass sich ein reines Quantensystem, wie eine Gruppe von Atomen, die vollständig vom alltäglichen klassischen Rauschen isoliert ist, auf vorhersagbare Weise zeitlich vorwärts entwickeln sollte, und die Wechselwirkungen der Atome (wie ihre Schwingungen) sollten genau durch die beschrieben werden „Hamiltonian“ des Systems – im Wesentlichen eine mathematische Beschreibung der Gesamtenergie des Systems.

In den 1980er Jahren sagten Theoretiker voraus, dass es so wäre, als würde das System in der Zeit zurückgehen, wenn der Hamilton-Operator eines Systems umgekehrt würde und dasselbe Quantensystem zur Deevolution gebracht würde.

„In der Quantenmechanik kann man, wenn man den Hamilton-Operator kennt, verfolgen, was das System durch die Zeit tut, wie eine Quantenbahn“, erklärt Pedrozo-Peñafiel. „Wenn diese Evolution vollständig quantenhaft ist, sagt Ihnen die Quantenmechanik, dass Sie sich zurückentwickeln oder zurückgehen und zum Anfangszustand zurückkehren können.“

„Und die Idee ist, wenn man das Vorzeichen des Hamilton-Operators umkehren könnte, würde jede kleine Störung, die auftrat, nachdem sich das System vorwärts entwickelt hatte, verstärkt werden, wenn man in der Zeit zurückging“, fügt Colombo hinzu.

Für ihre neue Studie untersuchte das Team 400 ultrakalte Ytterbiumatome, eine von zwei Atomarten, die in heutigen Atomuhren verwendet werden. Sie kühlten die Atome auf nur ein Haar über dem absoluten Nullpunkt, bei Temperaturen, bei denen die meisten klassischen Effekte wie Wärme verblassen und das Verhalten der Atome ausschließlich von Quanteneffekten bestimmt wird.

Das Team verwendete ein Lasersystem, um die Atome einzufangen, und schickte dann ein blau gefärbtes „verschränkendes“ Licht ein, das die Atome zwang, in einem korrelierten Zustand zu schwingen. Sie ließen die verschränkten Atome sich zeitlich vorwärts entwickeln und setzten sie dann einem kleinen Magnetfeld aus, das eine winzige Quantenänderung einführte und die kollektiven Schwingungen der Atome leicht verschob.

Eine solche Verschiebung wäre mit bestehenden Messinstrumenten unmöglich zu erkennen. Stattdessen wandte das Team eine Zeitumkehr an, um dieses Quantensignal zu verstärken. Dazu schickten sie einen weiteren, rot gefärbten Laser ein, der die Atome dazu anregte, sich zu entwirren, als würden sie sich in der Zeit rückwärts entwickeln.

Dann maßen sie die Schwingungen der Teilchen, als sie sich wieder in ihren entwirrten Zustand zurückversetzten, und stellten fest, dass sich ihre Endphase deutlich von ihrer Anfangsphase unterschied – ein klarer Beweis dafür, dass irgendwo in ihrer Vorwärtsentwicklung eine Quantenänderung stattgefunden hatte.

Das Team wiederholte dieses Experiment tausende Male mit Wolken von 50 bis 400 Atomen und beobachtete jedes Mal die erwartete Verstärkung des Quantensignals. Sie fanden heraus, dass ihr verschränktes System bis zu 15-mal empfindlicher war als ähnliche unverschränkte atomare Systeme. Wenn ihr System auf aktuelle hochmoderne Atomuhren angewendet wird, würde es die Anzahl der Messungen, die diese Uhren benötigen, um den Faktor 15 reduzieren.

In Zukunft wollen die Forscher ihre Methode an Atomuhren sowie in Quantensensoren, etwa für Dunkle Materie, testen.

„Eine Wolke aus dunkler Materie, die an der Erde vorbeischwebt, könnte die Zeit lokal ändern, und einige Leute vergleichen Uhren, sagen wir, in Australien mit anderen in Europa und den USA, um zu sehen, ob sie plötzliche Änderungen im Zeitverlauf erkennen können“, sagt Vuletic . „Unsere Technik ist genau dafür geeignet, weil man schnell wechselnde Zeitverläufe messen muss, während die Wolke vorbeifliegt.“