Bei Quest ist der Bereich Quantum Engineering ein Grundpfeiler der Forschung. In diesem Bereich sind Theorie und Experiment eng verzahnt, um neue Effekte der Quantenmechanik zu erforschen und nutzbar zu machen. Unter anderem werden dazu Atome fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt.

Wenn man ein normales Gas hat, da gibt es viele Atome und Moleküle, die miteinander wechselwirken, die viel miteinander stoßen. Und je heißer das Gas ist, desto häufiger tun die das und mit so höherer Geschwindigkeit tun sie das. Damit sind sie dann aber im Wesentlichen so was wie klassische Teilchen, wie kleine Ping-Pong-Welle, die miteinander stoßen.

Und wenn man jetzt in den Quantenbereich vorstoßen möchte, dann muss man diese Geschwindigkeit der Teilchen reduzieren. Das heißt, sie müssen gekühlt werden und das macht man heutzutage mit Laserlicht. Und dabei werden sie dann so extrem kalt, dass sie gerade die Quanteneigenschaften dominant zeigen. In den Laboren von Quest.

Die leuchtende Wolke, die hier zu sehen ist, besteht aus einer Milliarde kalter gefangener Atome. Zunächst werden die Atome mit Lasern gekühlt. Anschließend gibt es eine weitere Kühlphase, genauso wie man es vom morgendlichen Kaffee kennt. Die schnellsten Teilchen entweichen als Dampf und entziehen dem Kaffee Energie.

Dadurch wird die Flüssigkeit kälter. Ebenso können die Atome gekühlt werden, indem die energiereichsten Teilchen entfernt werden. Nahe des absoluten Nullpunktes von 0 Kelvin oder minus 273 Grad Celsius erreicht man das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat, bei dem alle Atome aufeinandersitzen und sich praktisch nicht mehr bewegen.

In einem Bose-Einstein-Kondensat sind praktisch alle Atome identische Teilchen, die sich im gleichen Zustand befinden. Und dieses kann man vergleichen wie mit den Photonen eines Lasers in einem Laser. Auch die sind ununterscheidbar. Und damit haben diese Atome in dem Bose-Einstein-Kondensat

quasi materiellen Eigenschaften wie ein Laser. Man kann auch von einem Atomlaser sprechen. Eine Anwendung solch ultrakalter Atome ist die Messung der Zeit. Zu diesem Zweck lässt man die Atome zwischen zwei internen Zuständen hin und her schwingen, wie das Pendel einer Standuhr. Diese Schwingungen sind extrem präzise und eignen sich dazu, exakt den Verlauf der Zeit zu messen.

Dies ist das Prinzip der Atomuhr. Befindet sich ein oszillierendes Atom auf halbem Wege zwischen den zwei möglichen Zuständen, so gibt es eine 50-50 Wahrscheinlichkeit, das Atom bei einer Messung im oberen oder im unteren Zustand vorzufinden.

Die Situation lässt sich vergleichen mit dem Wurf einer Münze. Solange die Münze noch in der Luft ist, zeigt sie weder Kopf noch Zahl. Erst beim Auftreffen auf dem Tisch steht das Ergebnis fest. Wirft man zehn Münzen, so schwankt die Anzahl der Münzen die Kopfzeigen von Wurf zu Wurf.

Obwohl es das wahrscheinlichste Ergebnis ist, dass man genau fünfmal Kopf und fünfmal Zahl erhält, ist es auch möglich, nur viermal oder dreimal Kopf zu erhalten. Bei den Atomen haben wir jetzt genau dieselben statistischen Schwankungen. Diese Schwankungen verhindern jetzt ein optimales Messen der Zeit.

Und damit stellen diese statistischen Schwankungen ein fundamentales Limit für jede Messung dar. Und um genauer messen zu können, muss man dieses Limit durchbrechen. Und genau das haben die Forscher in Quest versucht. Durch kontrollierte Stöße können Atome miteinander korreliert werden. Der Effekt ist vergleichbar mit zwei Münzen, die auf magische Weise miteinander verbunden sind.

Erhält man beim Wurf von zwei magischen Münzen das Ergebnis Zahl bei einer Münze, so ist das Ergebnis der zweiten Münze immer genau entgegengesetzt, also Kopf. Die Münzen zeigen nie das gleiche Ergebnis. Wirft man nun fünf Paare dieser magischen Münzen, so erhält man immer fünfmal Kopf und fünfmal Zahl.

Ganz ohne statistische Schwankungen. Bei Münzen wirkt das jetzt magisch. Bei Atomen kann man das aber tatsächlich im Labor herstellen, indem man die Atome in solchen verbundenen Paaren herstellt. Wir konnten zuletzt zeigen, dass man mit solchen verbundenen Atompaaren

tatsächlich viel genauer messen kann, als die statistische Rauschgrenze vorhersagt. Und damit ist dieser Mechanismus ein Werkzeug, um Messungen wie zum Beispiel die Zeitmessung noch viel präziser zu machen. Dies ist nur ein Beispiel, wie der Bereich Quantum Engineering dazu beiträgt, die Präzision von Sensoren zu verbessern.

Noch sind die Möglichkeiten jedenfalls nicht erschöpft.