Gravitationswellen, Schwarze Löcher und Dunkle Materie sind so ziemlich die spektakulärsten und zugleich mysteriösesten Erscheinungen unseres Universums. Ein Messinstrument aus der experimentellen Quantenphysik könnte helfen, all diesen Rätseln der Kosmologie auf die Spur zu kommen. Eine internationale Forschungsgruppe unter Federführung des Imperial College London hat dazu die bereits etablierte Atominterferometrie als Grundlage genommen für eine völlig neue Generation von Sensoren für die Gravitationswellendetektion. Das Team berichtet davon im Fachmagazin »Nature«.

Bei einem optischen Interferometer wird ein Laserstrahl aufgeteilt und auf zwei Spiegel gelenkt. Diese reflektieren die Strahlen und führen sie wieder zusammen. Anhand von Interferenzerscheinungen, die auf winzige Weglängenunterschiede schließen lassen, können Forschende ablesen, was unterwegs passiert ist.

In den 1990er-Jahren führten Überlegungen aus der Quantenphysik zu einer Weiterentwicklung des klassischen Aufbaus: Ein Atominterferometer funktioniert ähnlich wie ein optisches Interferometer, nur dass hier keine Lichtwelle, sondern eine Materiewelle aufgespalten wird. Auf ihrem Weg sind die Atome unterschiedlichen Einflüssen wie Beschleunigung oder Gravitation ausgesetzt. Werden die beiden Teilwolken anschließend wieder zusammengeführt, entsteht auch hier ein Interferenzmuster durch die Überlagerung der veränderten Wellen. Daraus lassen sich kleinste Störungen rekonstruieren – etwa solche, wie sie theoretisch von Gravitationswellen verursacht werden könnten.

Um die Empfindlichkeit solcher Experimente zu erhöhen und damit die Gravitationswellen von exotischen Schwarzen Löchern oder Dunkler Materie erfassen zu können, müssen die Wege der Materiewellen jedoch immer länger werden. Damit wächst auch das störende Rauschen, insbesondere durch den Laser selbst, sodass einzelne Messungen schnell keine verwertbaren Informationen mehr liefern. Genau hier setzt die neue Arbeit an: Das Forscherteam umgeht dieses Problem, indem es die Messungen zweier Systeme miteinander vergleicht.

Unzugängliche Bereiche des Universums erkunden

Die Forschenden ließen dazu zwei Atominterferometer gleichzeitig laufen und verglichen die Signale der beiden räumlich getrennten Strontiumatomwolken miteinander. Die Atomwolken dienen als hochpräzise Quantensensoren. Beide Systeme werden dabei vom gleichen Laser gesteuert, sodass sie identisches Laserrauschen enthalten. Durch den Vergleich der Messungen hebt sich dieses gemeinsame Störsignal auf, während physikalische Unterschiede als eigentliches Signal erhalten bleiben. So konnte das Team ein klares Differenzsignal isolieren, das nur noch vom fundamentalen Quantenrauschlimit eingeschränkt ist und nicht mehr von externen Rauschquellen. Das Signal blieb sogar dann sichtbar, als die Forschenden die Bedingungen zukünftiger Großexperimente simulierten und gezielt zusätzliche Störungen einbrachten, die die einzelnen Interferenzmuster für sich genommen unbrauchbar gemacht hätten.

Mit diesem Experiment konnte die Arbeitsgruppe erstmals zeigen, dass kilometerlange Atominterferometrie unter realistischen Bedingungen funktionieren kann. Einige Forschungsprogramme planen bereits, dieses Prinzip auf deutlich größere Distanzen zu skalieren, um bislang unzugängliche Bereiche des Universums zu erkunden.