LIGO hat bisher 90 Nachweise von Gravitationswellen bestätigt, aber die Physiker wollen noch mehr nachweisen, was eine noch höhere Empfindlichkeit des Experiments erfordern wird. Und es ist eine Herausforderung.
„Das Problem bei diesen Detektoren ist, dass jedes Mal, wenn man versucht, sie zu verbessern, die Situation tatsächlich noch schlimmer werden kann, weil sie sehr empfindlich sind“, sagt Lisa Barsotti, Physikerin am Massachusetts Institute of Technology.
Barsotti und seine Kollegen haben diese Herausforderung jedoch kürzlich gemeistert, indem sie ein Gerät entwickelt haben, mit dem die Detektoren von LIGO viel mehr Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und Kollisionen von Neutronensternen erkennen können. Das Gerät gehört zu einer wachsenden Klasse von Instrumenten, die Quantenkompression nutzen, eine praktische Möglichkeit für Forscher, die an Systemen arbeiten, die nach den Fuzzy-Regeln der Quantenmechanik arbeiten, diese Phänomene zu ihrem Vorteil zu manipulieren.
Physiker beschreiben Objekte im Quantenbereich anhand von Wahrscheinlichkeiten: Beispielsweise befindet sich ein Elektron nicht hier oder dort, sondern hat eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, sich an jedem Ort zu befinden, und fixiert sich nur dann auf einen einzelnen Ort, wenn seine Eigenschaften gemessen werden. Quantenkomprimierung kann Wahrscheinlichkeiten manipulieren, und Forscher nutzen sie zunehmend, um mehr Kontrolle über den Messvorgang auszuüben, wodurch die Genauigkeit von Quantensensoren wie dem LIGO-Experiment erheblich verbessert wird.
„Bei Präzisionssensoranwendungen, bei denen man sehr kleine Signale erkennen möchte, kann Quantenkomprimierung ein großer Gewinn sein“, sagt Mark Kasevich, ein Physiker an der Stanford University, der Quantenkomprimierung anwendet, um Magnetometer, Gyroskope und präzisere Uhren mit potenziellen Anwendungen herzustellen Navigation. Auch Entwickler kommerzieller und militärischer Technologie haben damit begonnen, sich an dieser Technik zu versuchen: Das kanadische Startup Xanadu verwendet sie in seinen Quantencomputern, und im vergangenen Herbst kündigte DARPA Inspired an, ein Programm zur Entwicklung von Quantencomputertechnologie. Quantenkomprimierung auf einem Chip. Werfen wir einen Blick auf zwei Anwendungen, bei denen Quantenkompression bereits eingesetzt wird, um die Grenzen von Quantensystemen zu verschieben.
Die Kontrolle über die Unsicherheit übernehmen
Das Schlüsselkonzept hinter der Quantenkomprimierung ist das Phänomen, das als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt ist. In einem quantenmechanischen System stellt dieses Prinzip eine grundlegende Grenze für die Präzision dar, mit der Sie die Eigenschaften eines Objekts messen können. Unabhängig davon, wie gut Ihre Messgeräte sind, weisen sie ein grundlegendes Maß an Ungenauigkeit auf, das Teil der Natur selbst ist. In der Praxis bedeutet dies, dass es einen Kompromiss gibt. Wenn Sie beispielsweise die Geschwindigkeit eines Teilchens genau verfolgen möchten, müssen Sie auf die Genauigkeit der Kenntnis seines Standorts verzichten und umgekehrt. „Die Physik setzt Experimenten Grenzen, insbesondere bei Präzisionsmessungen“, erklärt John Robinson, Physiker beim Quantencomputer-Start-up QuEra.
Durch die „Einführung“ von Unsicherheit in Eigenschaften, die sie nicht messen, können Physiker jedoch Präzision hinsichtlich der Eigenschaft erlangen, die sie messen möchten. Bereits in den 1980er-Jahren schlugen Theoretiker vor, Kompression in Messungen einzusetzen. Seitdem haben Experimentalphysiker diese Ideen weiterentwickelt; Im Laufe der letzten fünfzehn Jahre haben sich die Ergebnisse von ausgedehnten Tischprototypen zu praktischen Geräten entwickelt. Die große Frage ist nun, welche Anwendungen davon profitieren werden. „Wir fangen gerade erst an zu verstehen, was die Technologie sein könnte“, sagt Kasevich. „Dann hoffe ich, dass unsere Fantasie wächst, um herauszufinden, wofür das wirklich verwendet wird.“