Quantensensor macht unsichtbare Signale sichtbar

Das Universum besteht zu großen Teilen aus Dingen, die wir nicht sehen können: Dunkle Materie und Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit – sind unsichtbar, aber ihre Existenz verrät sich durch winzige Veränderungen in der Bewegung von Teilchen. Um diese Signale aufzuspüren, braucht es extrem empfindliche Instrumente. Eine der vielversprechendsten Technologien sind sogenannte Atominterferometer. Diese Geräte nutzen Laser, um Wolken aus ultrakalten Atomen zu teilen und später wieder zu vereinen – ähnlich wie bei einem Lichtstrahl, der durch zwei Spalten fällt. Aus dem Muster, das die Atome beim Wiederaufeinandertreffen bilden, lassen sich kleinste Kräfte ablesen.

Doch es gibt ein Problem: Der Laser selbst erzeugt Störungen, die viel stärker sind als die gesuchten Signale. Bisher galt die Idee, dieses Rauschen durch den Vergleich zweier getrennter Atomwolken zu eliminieren, als reine Theorie. Ein Team des Imperial College London hat diesen Ansatz nun erstmals unter realistischen Bedingungen getestet. Die Forscher bauten einen Tisch-Prototypen mit zwei weit voneinander entfernten Wolken aus Strontium-87-Atomen, die mit einem einzigen, extrem stabilen Laser vermessen wurden. Um die Bedingungen zukünftiger Großdetektoren nachzuahmen, fügten sie absichtlich zusätzliches Rauschen hinzu – so viel, dass jede einzelne Messung völlig unbrauchbar wurde.

Das Ergebnis: Während die Daten jedes einzelnen Interferometers wie zufälliges Rauschen aussahen, offenbarte der Vergleich beider Messungen das verborgene Signal. Die Forscher konnten sogar ein künstliches Signal, das den Effekt einer vorbeiziehenden Gravitationswelle nachahmte, klar nachweisen – obwohl keines der Geräte für sich allein ein brauchbares Ergebnis lieferte. Die Methode erreichte die physikalisch mögliche Höchstgrenze der Genauigkeit, die durch die Quantenmechanik vorgegeben ist.

„Wir haben einige der präzisesten Instrumente der Welt – Atomuhren und Atominterferometer – genommen und gezeigt, dass man sie umfunktionieren kann, um völlig neue Fenster zu den unsichtbaren Teilen unseres Universums zu öffnen“, sagt Dr. Richard Hobson, Co-Leiter des Labors für ultrakalte Strontium-Atome am Imperial College. Die Arbeit ist Teil des britischen AION-Projekts (Atom Interferometer Observatory and Network), das mit Partnern in den USA (MAGIS am Fermilab) und Europa zusammenarbeitet. Ein geplantes Großprojekt namens AICE (Atom Interferometry CERN Experiment) könnte die Technik auf kilometerlange Strecken ausdehnen und wäre eines der größten Quantenexperimente der Welt.

Die Bedeutung des Durchbruchs liegt nicht nur in der Bestätigung eines theoretischen Prinzips. Er zeigt, dass die geplanten Großdetektoren tatsächlich funktionieren können. Diese könnten Gravitationswellen in Frequenzbereichen aufspüren, die heutigen Instrumenten verschlossen sind – etwa Wellen aus der Frühzeit des Universums, kurz nach dem Urknall. Auch die direkte Detektion von Dunkler Materie, einer unsichtbaren Substanz, die den Großteil der Materie im Kosmos ausmacht, rückt damit in greifbare Nähe. „Ich kann den Tag kaum erwarten, an dem uns Signale von einem Atom etwas über ein Schwarzes Loch erzählen, das vor Millionen von Jahren verschmolzen ist“, sagt Dr. Charles Baynham, Co-Leiter des Labors. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.