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Messtechnik: Präzision jenseits des Quantenlimits

Quanteneffekte begrenzen die erreichbare Genauigkeit miniaturisierter Sensoren. Ein trickreiches System könnte diese fundamentalen Einschränkun­gen umschiffen – indem sich ein Teil von ihm verhält wie eine ne­gative Masse.
Ausgeklügelte Anordnungen von Spiegeln und Lasern erlauben hochpräzise Messungen.

Auf der Quantenebene kann bereits der schiere Akt des Hinschauens dramatische Konsequenzen haben. Das ist nicht nur im bekannten Gedankenexperiment mit Schrödingers Katze unter Umständen fatal, sondern wirkt sich ganz praktisch umso störender aus, je empfindlicher die Messtechnik wird. Ein Forscherteam um Chris­toffer Møller vom Niels-Bohr-Institut an der Universität Kopenhagen hat nun gezeigt, dass sich die lästigen Effekte durch ein Quantensystem mit einer Art negativer Masse reduzieren lassen. Wenn diese angestoßen wird, bewegt sie sich im krassen Widerspruch zu unserer alltäglichen Erfahrung entgegen der Beschleunigungsrichtung. Das seltsame Verhalten könnte sich für Sensoren ausnutzen lassen, die ihrerseits die fundamentalen Grenzen der Quantenphysik umgehen.

Bewegungssensoren sind für moderne Technik unverzichtbar, von Smartphones bis zur biomedizinischen Diagnostik. Sie ermitteln unsere Lage und Geschwindigkeit, und Forscher verfolgen mit ihnen das Verhalten von Molekülen und Teilchen. Ein aktuelles Beispiel, wie weit uns höchst präzise Mikromechanik bringt, liefern die Gravitationswellen: Mit ausgeklügelten Anordnungen von Spiegeln und Lasern empfangen Astronomen inzwischen Signale von Schwarzen Löchern in Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Alle solchen Systeme enthalten Bauteile, die von äußeren Reizen in eine Schwingung versetzt werden. Diese Vibration wird üblicherweise mit Hilfe eines elektromagnetischen Felds ausgelesen, indem etwa Licht oder Mikrowellen vom Sensor reflektiert werden. Durch die rasanten nanotechnologischen und optoelektronischen Fortschritte sind die Sensoren mittlerweile bis zu einem Grad miniaturisiert, an dem quantenmechanische Effekte ihr Verhalten stark beeinflussen.

September 2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft September 2017

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  • Quellen

Møller, C. B. et al.: Quantum Back-Action-Evading Measurement of Motion in a Negative Mass Reference Frame. In: Nature 547, S. 191–195, 2017

Ockeloen-Korppi, C. F. et al.: Quantum Backaction Evading Measurement of Collective Mechanical Modes. In: Physical Review Letters 117, 140401, 2016