Mit Quantenmechanik schneller messen
Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zeigen, dass verschränkte Ionen die Stabilität optischer Atomuhren steigern. Sie präsentieren ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters.
In optischen Ionenuhren begrenzen quantenstatistische Fluktuationen die Stabilität und führen zu langen Messdauern. Hier verspricht ein quantenmechanischer Ansatz Abhilfe: Werden die Ionen verschränkt, können die Uhren deutlich schneller ihre maximale Genauigkeit erreichen. In einem neuen Messschema reduziert die Verschränkung auch die Wirkung äußerer Störungen, sodass lange kohärente Wechselwirkungen zwischen Ionen und Abfragelaser möglich werden. Dieses Prinzip wurde in der PTB durch den Vergleich einer Calciumuhr mit verschränkten Ionen an der besonders stabilen Strontiumgitteruhr erfolgreich demonstriert.
In der Quantensensorik und in der Quanteninformationsverarbeitung verspricht das Prinzip der quantenmechanischen Verschränkungen Erfolge. Auch bei optischen Uhren wurde es bereits angewendet, jedoch bisher nur für kurze Abfragepulse. Jetzt wurde es zum ersten Mal bei einer optischen Uhr für lange Abfragezeiten und in Kombination mit einer erhöhten Unempfindlichkeit gegen externe Störungen gezeigt.
Konkret wurden zwei Calciumionen durch präzise Laserkontrolle miteinander verschränkt und somit zu einem gemeinsamen Abfragezustand gekoppelt. Dies reduziert die quantenstatistischen Fluktuationen und macht das System stabiler. Gleichzeitig wurde der verschränkte Zustand so gewählt, dass die Magnetfeldabhängigkeiten beider Ionen entgegengesetzt sind und sich kompensieren (verschränkter dekohärenzfreier Zustand, enDFS). Das resultierende Messsignal ist dadurch weitgehend unempfindlich gegenüber Magnetfeldrauschen, einem der dominierenden Störmechanismen optischer Uhren mit Calcium-Ionen.
Um die Vorteile des speziellen Verschränkungsschemas zu demonstrieren, wurde die optische Calciumuhr mit der optischen Strontiumgitteruhr der PTB verglichen. Die Strontiumuhr hat aufgrund der hohen Zahl der abgefragten Atome eine höhere Stabilität als die Ionenuhr, wodurch praktisch die Stabilität der Calcium-Ionenuhr getestet wurde.
Die Frequenzinstabilität der Calcium-Ionenuhr liegt bei gleicher Abfragezeit unterhalb der Grenzen klassischer Verfahren. Besonders interessant ist, dass dies auch bei langen Abfragezeiten demonstriert wurde. Lange Abfragen reduzieren den Einfluss des quantenmechanischen Rauschens und erhöhen die Stabilität der Uhr, egal, ob verschränkt oder nicht. So ist dies die bislang stabilste Calcium-Ionenuhr. Darüber hinaus wurden auch die technischen Anforderungen an den Aufbau bezüglich der Magnetfeldabschirmung durch die Verschränkung deutlich vereinfacht.
Die Ergebnisse zeigen, dass verschränkte Mehrionenzustände nicht nur für die Quanteninformationsverarbeitung relevant sind, sondern auch konkrete Vorteile für die Präzisionsmetrologie bieten. Der Ansatz ist auf andere Ionenspezies übertragbar und eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten für den Einsatz von Mehrionensystemen in zukünftigen optischen Atomuhren.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Kai Dietze, QUEST-Institut und PTB, Telefon: (0531) 592-4747, kai.dietze@ptb.de
Originalpublikation:
Entanglement-enhanced optical ion clock, Phys. Rev. Lett. 136, 073601 (2026) - Published 17 February, 2026,
https://journals.aps.org/prl/issues/136/7
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