Atome, die Bausteine der Natur, können als äußerst präzise Messinstrumente eingesetzt werden. So wird beispielsweise seit den 1960er Jahren unsere Zeit durch die innere Schwingungsfrequenz von Cäsium-Atomen definiert. In einer hochpräzisen Atomuhr wird die innere Schwingungsfrequenz der Atome gemessen und in einen Sekundentakt umgewandelt. Diese Frequenz kann allerdings nicht mit beliebiger Genauigkeit bestimmt werden. Es gibt eine fundamentale Grenze der Genauigkeit durch das sogenannte Schrotrauschen. Dies sind grundsätzliche, statistische Schwankungen der Messwerte, die auftreten, wenn die Atome unabhängig voneinander schwingen. Einer Forschergruppe des Exzellenzclusters QUEST (Centre of Quantum Engineering and Space-Time Research) an der Leibniz Universität Hannover ist es jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Spanien, Italien und Dänemark gelungen, diese Grenze des Schrotrauschens zu überwinden. Der Artikel “Twin matter waves for interferometry beyond the classical limit” erscheint online am 13. Oktober 2011 bei Science Express.
In einer Atomuhr pendeln die Atome stufenlos zwischen zwei inneren Zuständen hin und her. Zur Bestimmung der Zeit müssen die Schwingungen in einem bestimmten Zeitraum gezählt werden. Dies erfordert, den inneren Zustand aller Atome zu messen. Während der Messung verhalten sich die Atome wie unabhängige Würfel, da die Atome trotz der stufenlosen Schwingung immer nur in einem der beiden inneren Zustände gemessen werden können. Die Messung eines der beiden inneren Zustände entspricht hier dem Würfeln einer geraden oder ungeraden Augenzahl. Wenn 100 Würfel gleichzeitig geworfen und die Menge der geraden und ungeraden Augenzahlen gezählt wird, erwartet man ein Ergebnis von 50 geraden und 50 ungeraden Zahlen. Allerdings kommen wegen der statistischen Wahrscheinlichkeit und der endlichen Anzahl der Würfel häufig kleine Abweichungen vor - zum Beispiel 48 gerade und 52 ungerade Zahlen. Diese Abweichungen werden als Schrotrauschen bezeichnet. Sie treten auch auf, wenn der innere Zustand der Atome gemessen wird und begrenzen daher die Genauigkeit einer Atomuhr. Diese Genauigkeitsgrenze kann nur überwunden werden, indem die Eigenarten der Quantenmechanik genutzt werden.
In der Quantenmechanik können zwei Atome miteinander „verschränkt" werden. Die beiden Atome verhalten sich dann wie ein Paar Würfel, das auf wundersame Weise immer genau eine gerade und eine ungerade Zahl zeigt. Wenn jetzt 50 solcher verschränkter Würfelpaare geworfen werden, erhält man immer 50 gerade und 50 ungerade Zahlen und die physikalische Grenze des Schrotrauschens ist überwunden. Diese Besonderheit der Physik war lange Zeit umstritten. Sogar Albert Einstein bezeichnetet diesen Effekt als „spukhafte Fernwirkung" und war generell skeptisch: „Gott würfelt nicht". Heute ist Verschränkung ein wesentlicher Bestandteil unseres Verständnisses von Natur und ihre Existenz wurde in vielen physikalischen Experimenten nachgewiesen.
Die Experimente in Hannover haben gezeigt, dass solche verschränkten Paare von Atomen bei extrem kalten Temperaturen hergestellt werden können. Zu diesem Zweck kühlen die Wissenschaftler einige zehntausend Rubidium-Atome mit Lasern bis fast an den absoluten Temperaturnullpunkt. Die kalten Rubidium-Atome verhalten sich wie kleine Magnete, bei denen der innere Zustand durch die magnetische Ausrichtung definiert ist. Zunächst mit horizontaler Ausrichtung vorbereitet, bilden die Atome dann verschränkte Paare mit je einem ab- und einem aufwärts gerichteten Atom, die den geraden oder ungeraden Würfelergebnissen entsprechen. „In einer Reihe von Messungen haben wir gezeigt, dass diese verschränkten Atompaare in der Tat für hochgenaue Messungen jenseits der Grenzen des Schrotrauschens geeignet sind“, erklärt Dr. Carsten Klempt, Physiker am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover. „Dieser Prozess, den Einstein noch als „spukhafte Fernwirkung“ abgetan hat, wird zukünftige Atomuhren sehr viel genauer machen“, so Klempt weiter.
Hochpräzise Atomuhren sind für die Verbesserung einer Vielzahl von modernen Entwicklungen wichtig, darunter das Global Positioning System (GPS), die präzise Synchronisation der Stromnetze oder des Internets. Auch im Bereich der Erdbeobachtung können Messungen der Beschleunigung, Rotation oder Schwerkraft mit Hilfe von verschränkten Atomen deutlich verbessert werden.
Verschränkte Würfel. Verschränkung kann man sich als magisches Würfeln vorstellen. Sind die Würfel verschränkt, formen sie Paare, dargestellt durch die Farben blau und rot, bei denen jeder einzelne Würfel jede mögliche Augenzahl erzeugen kann. Aber wenn einer der gepaarten Würfel eine gerade Augenzahl zeigt, ist der andere auf eine ungerade Zahl festgelegt. Einstein bezeichnete den Effekt der Verschränkung als „spukhafte Fernwirkung“.
Messung der Zahl der Atome. Die ultrakalten Atome werden mit horizontalen Magnetorientierungen hergestellt (mittlere Atomwolke). Die verschränkten Atome werden dann entweder mit aufwärts (linke Wolke) oder abwärts gerichteter Orientierung erzeugt. Die drei Wolken entstehen zunächst an derselben Position. Die Atome werden dann durch ein angelegtes Magnetfeld je nach ihrer Orientierung in die drei Wolken aufgeteilt. Die Zahl der Atome entspricht dem Volumen der drei Wolken. Die Zahl der Atome in der rechten Wolke entspricht sehr präzise der Zahl der Atome in der linken Wolke, ganz wie die gleiche Zahl der geraden und ungeraden Würfelergebnisse.
