Seminarbericht

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