• Die 1963 gegründete Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung ist eine private Stiftung des bürgerlichen Rechts zur Förderung der Forschung und Ausbildung auf dem Gebiet der Naturwissenschaften.

  • Seminar im „WE-Heraeus-Hörsaal“ des Physikzentrums Bad Honnef. Die Reihe „WE-Heraeus-Seminare“ ist das Flaggschiff im Förderprogramm der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung.

  • Die Stiftung fördert Lehrerfortbildungen zur Teilchenphysik, Quantenphysik oder Astronomie, die z.B. am XLAB in Göttingen durchgeführt werden.

  • Schüler-Observatorium auf dem Dach eines Gymnasiums: An 6 identischen Teleskopen kann eine komplette Klasse Sterne und die Sonne beobachten. Ein Beitrag der Stiftung zum modernen Physikunterricht.

  • Die Stiftung initiiert und finanziert Buchproduktionen zur Verbreitung von Faktenwissen über gesellschaftlich bedeutende Themen (für SchülerInnen) sowie zur Ausbildung von LehrerInnen.

636. WE-Heraeus-Seminar

Quantum-Limited Metrology and Sensing

 

 

Metrologie und Messtechnik können eine höhere Präzision erreichen, wenn eine größere Zahl an Quanten, z. B. Photonen oder Atome, genutzt werden. Damit ergibt sich die typische technologische Herausforderung, eine möglichst hohe Anzahl an Quanten kontrolliert einzusetzen. Beispielsweise versucht man, in Gravitationswellendetektoren immer höhere Lichtleistungen zu verwenden. Parallel dazu gibt es einen zweiten Ansatz: Quanten gehören zu bestimmten quantenmechanischen Zuständen, und bei konstanter Quantenzahl lässt sich die Präzision mithilfe von geeigneteren Quantenzuständen erhöhen. Die Beschränkungen auf bestimmte Zustände ergeben sog. Quantenlimits. Ein Überwinden erfordert einen qualitativ anderen Quantenzustand und in der Regel anspruchsvollere Technologie.

 

Unglücklicherweise haben sich zum einen unterschiedliche Namen für Quantenlimits eingebürgert, zum anderen wird z.B. der Begriff „Standard-Quantenlimit“ nicht einheitlich benutzt. Das Hauptziel des Seminars, das vom 6. bis 9. Februar 2017 im Physikzentrum Bad Honnef stattfand, war es, zunächst die unterschiedlichen Termini zu benennen und darauf aufbauend die Relation der Quantenlimits untereinander zu diskutieren. Dazu waren 20 Sprecher, u. a. aus den Bereichen Gravitationswellendetektion, Optomechanik, Halbleiteroptik und optische Uhren eingeladen. Die fachliche und didaktische Qualität der Vorträge war ausnahmslos hervorragend. Emil Schreiber (AEI, Hannover) beschrieb den experimentellen Weg zu mittlerweile 4,3-dB-gequetschtem Schrotrauschen in GEO600. Cindy Regal (JILA, Boulder) zeigte, wie man Quantenstrahlungsdruckrauschen mit einer Membran zuverlässig beobachten kann. John Teufel (NIST, Boulder) berichtete über die Verbesserung von optischem Kühlen mechanischer Bewegung mit gequetschtem Licht. Piet Schmidt (PTB, LUH) erläuterte, wie Quantenalgorithmen Aluminium-, Molekül- und hochgeladene Ionen für hochgenaue optische Uhren nutzbar machen. Peter Michler (IHFG, Stuttgart) zeigte, dass Quantenpunkte inzwischen in der Lage sind, ununterscheidbare (interferenzfähige) Ein-Photonen-Zustände auf Bestellung zu generieren. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, mit Zuständen definierter Photonenzahl eine interferometrische Empfindlichkeit zu erreichen, die besser als mit der Wurzel der Photonenzahl skaliert, wenn man alle optischen Verluste berücksichtigt. Farid Khalili (MSU, Moskau) lieferte mit seinem Vortrag einen hervorragenden Überblick über die Zusammenhänge zwischen Schrotrauschlimit, Standard-Quantenlimit (in der Gravitationswellendetektion und Optomechanik), dem energetischen Limit und dem Heisenberg-Limit.

 

Die Rückmeldungen der Teilnehmer waren ausnahmslos sehr positiv. Nicht zuletzt war der Erfolg des Seminars den hervorragenden Rahmenbedingungen zu verdanken, die von der WE-Heraeus-Stiftung geschaffen wurden.

 

Prof. Dr. Ulrik Andersen, TU Lyngby, Dänemark; Prof. Dr. Roman Schnabel, Universität Hamburg