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Messverfahren: An die Grenze der Pingeligkeit

Wer genau wissen will, wie die Natur funktioniert, muss genau hinsehen. Wenn möglich, bis an die Grenze des Machbaren, die von den Regeln der Quantenphysik aufgestellt wird. Eben diese Regeln haben Forscher genutzt, um genauer zu messen, als die klassische Physik es erlauben würde.
Wie hoch? Wie groß? Wie schnell? Längst ist unsere technisierte Welt den Zeiten entwachsen, als Ellen und Meter noch ausreichten, um das Drumherum zu beschreiben. Heutzutage benutzen Bauarbeiter statt rustikaler Zollstöcke hochempfindliche Laser für Entfernungsmessungen. Und Höhenprofile werden im Überflug mit Radar oder ebenfalls Laser erstellt. Über den Daumen peilen, war gestern. Heute zählen die Nachkommastellen.

Der Lust auf exakte Daten hat die Natur allerdings eine unüberwindliche Grenze gesetzt. Denn wer misst, der greift auch ein – und verändert. Im Makrokosmos unseres Alltags mag das nicht weiter auffallen, in der Forschung könnte diese Einschränkung aber in Zukunft zum Problem werden. Schuld ist die Quantenphysik. Eine ihrer grundlegenden Aussagen lautet, dass bestimmte Wertepaare nicht beliebig genau zu messen sind.

Der Ort eines Teilchens und seine Bewegung (physikalischer ausgedrückt: sein Impuls) sind ein Beispiel für diese Heisenbergsche Unschärferelation. Um die Lage zu verraten, ist mindestens ein Photon nötig, das von dem Teilchen ausgesendet, gestreut oder reflektiert wird. Der Aufprall oder Rückstoß des Lichtquants bringt es aber zugleich von seinem Weg ab und verdirbt somit die Impulsmessung. Ort und Impuls – beide Angaben kann es darum nicht mit beliebiger Genauigkeit geben.

Signal und Rauschen

Momentan plagen Wissenschaftler aber noch viel größere Sorgen. Ihre feinsten Abstandsmessungen leiden weniger unter Quantengrenzen als technischen Unzulänglichkeiten wie störendem Rauschen. Im Prinzip lässt sich dessen Einfluss durch wiederholte Messungen oder intensiveres Licht reduzieren. Nur verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis dummerweise nur mit der Wurzel der eingesetzten Ressourcen. Für eine Verdopplung der Qualität ist also gleich die vierfache Quantität vonnöten. Das hat zur Folge, dass die realitätsnahe Standard-Quanten-Grenze höher liegt als die theoretisch erreichbare Heisenberg-Grenze.

Auf welche Weise Forscher dennoch in das Niemandsland zwischen den beiden Grenzen vordringen und sich erstaunlich weit dem absoluten Limit nähern können, haben nun Physiker um Geoffrey Pryde von der australischen Griffith University in Brisbane demonstriert. Statt Teilchenort und -impuls wählten sie Wellenphase und -intensität von Licht. Speziell der Zustand der Phase – womit das Auf und Ab einer Welle gemeint ist – widersetzt sich nämlich nach Kräften genauen Messungen. Und gerade auf diese Phase kommt es an in Interferometern, mit denen kleine Abstände hochpräzise ermittelt werden.

Üblicherweise steht am Anfang eines solchen Interferometers ein Strahlteiler, der die Hälfte des Lichtes als Referenz über eine ungestörte Strecke schickt und die andere als Messlicht durch eine Art Parcours. Am Ende werden die beiden Strahlen wieder überlagert. Durch die Veränderungen des Lichtstrahls auf dem Parcours sind die beiden leicht gegeneinander verschoben. Dadurch treffen im Extremfall Wellenberge und Wellentäler aufeinander und löschen sich gegenseitig aus. Im Ausmaß der Abschwächung steckt schließlich die Information über den Weg des Messlichts.

Quantentrickserei

Pryde und seine Kollegen nahmen an diesem Aufbau einige Änderungen vor: Sie schickten das Licht nicht als intensiven Strahl in die Apparatur, sondern als einzelne Photonen. Zudem nutzten die Forscher den Erkenntnisgewinn nach jedem Photon, um die Apparatur allmählich an die Messung anzupassen. Und in dieser eingebauten Rückkopplungsschleife steckt ein gehobenes Maß an Quantentrickserei. So viel, dass manche Wissenschaftler, wie Jonathan Dowling von der Louisiana State University, lange nicht an eine Realisierung der Idee geglaubt haben.

Und tatsächlich wird die Manipulation erst durch Verfahren aus der Entwicklung von Quantencomputern möglich, wo Qubit genannte Informationen ausgelesen, verarbeitet und korrigiert werden müssen, ohne sie dabei zu sehr zu beeinflussen. Tatsächlich bewährten sich die entsprechenden mathematischen Algorithmen in der ungewohnten Umgebung der Interferenzmessungen so gut, dass Prydes Team die Standard-Quanten-Grenze locker überwinden konnte. Locker deshalb, weil im Experiment 378 Läufe für ein Ergebnis ausreichten, das mit konventionellen Geräten zehnmal so viele Durchgänge benötigt hätte.

Mit der neuen Methode wird bei Interferenzmessungen weniger mehr – und vor allem genauer. Gleich zwei Grenzen wurden dabei überschritten: neben der Standard-Quanten-Grenze auch der Graben zwischen Quantencomputerforschung und Messtechnik. Nun ist es an den Vermessern, ihre neuen Fähigkeiten in weitere Disziplinen zu tragen – und auch dort vielleicht ein paar Mauern einzureißen.

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