"Trapped Ensembles" von Ionen oder Atomen
Ensemble-basierte Quantenmetrologie
Im Rahmen der sogenannten „Ensemble-Quantenmetrologie“ (im Gegensatz zum Single-Atom-Trapping) werden viele Atome oder Ionen in einem makroskopischen Volumen gemeinsam thermisch manipuliert (z. B. durch Laserkühlung). Die Quantenzustände der einzelnen Atome oder Ionen in einem Ensemble sind in der Regel nicht identisch. Nach der Vorbereitung werden gezielte Quantenoperationen (z. B. durch Einbringen von Laserimpulsen, Magnetfeldern oder Mikrowellen) an dem Ensemble durchgeführt, um eine Quantenüberlagerung oder Verschränkung zwischen den Atomen oder Ionen zu erzeugen. Dadurch treten im manipulierten Ensemble kollektive quantenmechanische Effekte (Kohärenzen) auf, z. B. „Superradiant-Emissionen“.
Vorteile:
- Einfacher zu handhaben und zu kontrollieren als einzelne Quantenteilchen.
- Ensembles bieten im Vergleich zu den oben genannten Atom- oder Ionenfallen eine einfachere Skalierbarkeit, da viele Atome oder Ionen gleichzeitig manipuliert werden können.
Nachteile:
- Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und anderen Umwelteinflüssen sind Ensembles anfälliger für Dekohärenz und Interferenzen. Dies führt zu einer im Vergleich zu einzelnen Quantenteilchen geringeren Präzision und Empfindlichkeit.
Anwendungen: Metrologie, Präzisionsmessungen (z. B. Messung von Magnetfeldern in der Geophysik und Materialwissenschaft), einfache Quanteninformationsverarbeitung.
In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Leibniz Universität Hannover entwickelt das Institut für Experimentelle Quantenmetrologie eine neue und besonders kompakte lineare Ionenfalle, die in eine kompakte Vakuumkammer integriert werden kann. Ziel ist es, die Multi-Ionen-Spektroskopie in einer kommerziellen optischen Uhr einzusetzen. Bild mit freundlicher Genehmigung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Bild entnommen aus dem Artikel "Ionenfallen für Quantensimulationen, Quantencomputer und Metrologie"