Atominstitut
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TU Wien - Atominstitut
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Einführung: Messen mit Quanten-Überlagerungen

Die Quantenphysik erlaubt die Erzeugung von Überlagerungszuständen, in denen ein physikalisches Objekt gleichzeitig zwei verschiedene Eigenschaften haben kann, z.B. Energie, Impuls, oder Position im Raum. Von fundamentalen und philosophischen Fragestellungen abgesehen haben diese Zustände sehr wichtige technologische Anwendungsmöglichkeiten. Sie realisieren ein neuartiges „Quanten-Bit“ für Informationsverarbeitung und sind das Herzstück der hochpräzisen Atomuhren. Räumliche Überlagerungen ermöglichen Interferometrie zur Messung der Erdanziehungskraft sowie Rotationen und Beschleunigungen.

Solche Quanten-Superpositionen sind hochempfindlich und kompliziert zu erzeugen, sie treten insbesondere in der Mikroskopischen Welt einzelner Atome und Moleküle auf. Allerdings sind quantenmechanische Eigenschaften wie z.B. Übergangsenergien perfekt reproduzierbare und universelle Größen (aufgrund der Ununterscheidbarkeit von Teilchen) und eignen sich daher hervorragend als Grundlage („Standard“) von physikalischen Größen und Einheiten. Die Arbeitsgruppe Quantenmetrologie untersucht neuartige Quanteneffekte und Systeme auf ihre Eignung für Präzisionsmessungen.

Insbesondere im Bereich Laserspektroskopie und Atomuhren erlaubt die extreme Messgenauigkeit mittlerweile Aussagen über fundamentale Naturkonstanten wie die Feinstruktur- oder Rydberg-Konstante. Es ist allgemein anerkannt, dass weiterer Fortschritt im Bereich höherer Übergangsenergien wie z.B. bei optischen Atomuhren stattfinden wird. Daher untersuchen wir neue Ansätze, wie z.B. „aktive“ optische Uhren und „Kernuhren“.

Räumliche Überlagerungszustände und Verschränkung sind vermutlich die absonderlichsten Manifestationen der Quantenphysik. Sie verletzen insbesondere unsere Alltagserfahrung, die von lokalen physischen Eigenschaften ausgeht. Nachdem sich diese Zustände über verschiedene räumliche Regionen erstrecken, sind sie extrem empfindlich auf lokale Kräfte und Felder und können daher als äußerst genaue Sensoren verwendet werden. In diesem Zusammenhang untersucht unsere Gruppe Interferometrie mit atomaren Materiewellen.