Mithilfe der Quantenverschränkung als GPS kann eine präzise Positionierung auch in Bereichen ohne Signal erreicht werden

Quantenverschränkung bezieht sich auf ein spezielles Kopplungsphänomen, das zwischen Teilchen auftritt. Im verschränkten Zustand können wir nicht die Eigenschaften jedes einzelnen Teilchens beschreiben, sondern nur das Phänomen der Eigenschaften des Gesamtsystems. Dieser Einfluss verschwindet nicht mit der Änderung des Abstands, selbst wenn die Teilchen durch das gesamte Universum getrennt sind .

Eine neue Studie zeigt, dass Sensoren mithilfe von Quantenverschränkungsmechanismen Bewegungen genauer und schneller erkennen können. Wissenschaftler glauben, dass die Erkenntnisse dazu beitragen könnten, Navigationssysteme zu entwickeln, die nicht auf GPS basieren.

In einer neuen Studie, die in „Nature Photonics“ von der University of Arizona und anderen Institutionen eingereicht wurde, führten Forscher Experimente mit optomechanischen Sensoren durch, die Lichtstrahlen nutzen, um auf Interferenzen zu reagieren. Diese Sensoren fungieren als Beschleunigungsmesser, mit denen Smartphones Bewegungen erkennen können. Andererseits können Beschleunigungsmesser auch in Trägheitsnavigationssystemen in Bereichen mit schlechten GPS-Signalen eingesetzt werden, beispielsweise im Untergrund, unter Wasser, in Gebäuden, abgelegenen Gebieten und an Orten, an denen Funksignale gestört werden. ?

Um die Leistung der optomechanischen Sensorik zu verbessern, versuchen Forscher, die Verschränkung zu nutzen, die Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Verschränkte Teilchen sind im Wesentlichen synchron, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

Forscher hoffen, innerhalb der nächsten zwei Jahre einen Prototyp eines verschränkten Beschleunigungsmesser-Chips zu haben.

Obwohl die Quantenverschränkung die Entfernung ignoriert, ist sie auch äußerst anfällig für äußere Störungen. Quantensensoren machen sich diese Empfindlichkeit zunutze, um kleinste Störungen in der Umgebung zu erkennen.

„Bisher konzentrierten sich unsere Forschungen zur quantenverstärkten optomechanischen Sensorik hauptsächlich auf die Verbesserung der Empfindlichkeit eines einzelnen Sensors“, sagte der Hauptautor der Studie, Yi Xia, ein Quantenphysiker an der University of Arizona, Tucson. „Jüngste theoretische und experimentelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die Verschränkung die Empfindlichkeit zwischen mehreren Sensoren erheblich verbessern kann, ein Ansatz, der als verteilte Quantenerkennung bekannt ist.“

Der Mechanismus optomechanischer Sensoren beruht auf der Synchronisation zweier Laserstrahlen. Ein Lichtstrahl wird von einer Komponente namens Oszillator reflektiert, und jede Bewegung des Oszillators verändert die Distanz, die das Licht auf seinem Weg zum Detektor zurücklegt. Ein solcher Unterschied in der zurückgelegten Strecke wird deutlich, wenn der zweite Strahl den ersten überlappt. Wenn der Sensor stationär ist, sind die beiden Strahlen perfekt ausgerichtet. Wenn sich der Sensor bewegt, erzeugen die überlappenden Lichtwellen ein Interferenzmuster, das die Größe und Geschwindigkeit der Bewegung des Sensors verrät.

In der neuen Studie verwendet der Sensor von Dal Wilsons Gruppe an der University of Arizona eine Membran als Oszillator, die ähnlich wie ein Trommelfell funktioniert, das nach dem Anschlag vibriert.

Anstatt einen Strahl auf einen Oszillator strahlen zu lassen, teilten die Forscher einen Infrarot-Laserstrahl in zwei verschränkte Strahlen auf, die von den beiden Oszillatoren auf zwei Detektoren reflektiert wurden. Diese verschränkte Natur des Lichts ermöglicht es im Wesentlichen zwei Sensoren, einen einzelnen Lichtstrahl zu analysieren und zusammenzuarbeiten, um Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erhöhen.

„Wir können die Verschränkung nutzen, um die Krafterfassungsleistung mehrerer optomechanischer Sensoren zu verbessern“, sagte der Hauptautor der Studie, Zheshen Zhang, ein Quantenphysiker an der University of Michigan in Ann Arbor.

Um die Genauigkeit des Geräts zu verbessern, verwendeten die Forscher außerdem sogenanntes „komprimiertes Licht“. Das Quetschen von Licht macht sich ein Schlüsselprinzip der Quantenphysik zunutze: das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip, das besagt, dass bei der Bestimmung der Position eines Teilchens sein Impuls völlig ungewiss ist; wenn sein Impuls bestimmt ist, ist seine Position überhaupt nicht sicher. Gequetschtes Licht nutzt diesen Kompromiss aus, um die Unsicherheit bei der Messung einer bestimmten Variablen – in diesem Fall der Phase der Wellen, aus denen der Laserstrahl besteht – zu „quetschen“ oder zu verringern und gleichzeitig die Unsicherheit bei der Messung einer anderen Variablen zu erhöhen. Aber das Studienpersonal kann ignoriert werden.

„Wir sind eines der wenigen Teams, das eine komprimierte Lichtquelle erzeugen kann und erforschen sie derzeit als Grundlage für die nächste Generation der Präzisionsmesstechnik“, sagte Zheshen Zhang. Insgesamt konnten die Wissenschaftler 40 Prozent genauere und 60 Prozent schnellere Messungen durchführen als mit zwei unverflochtenen Strahlen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Genauigkeit und Geschwindigkeit dieses Ansatzes mit zunehmender Anzahl von Sensoren zunimmt. „Diese Erkenntnisse bedeuten, dass wir die Leistung der ultrapräzisen Kraftmessung weiter auf ein beispielloses Niveau verbessern können“, sagte Zheshen Zhang. Forscher sagen, dass die Verbesserung optomechanischer Sensoren nicht nur zu besseren Trägheitsnavigationssystemen führen könnte, sondern auch dazu beitragen könnte, mysteriöse Phänomene wie dunkle Materie und Gravitationswellen zu erkennen. Dunkle Materie ist eine unsichtbare Substanz, von der angenommen wird, dass sie fünf Sechstel der gesamten Materie im Universum ausmacht, und die Entdeckung ihrer möglichen Gravitationseffekte kann Wissenschaftlern dabei helfen, ihre Eigenschaften herauszufinden. Gravitationswellen sind Wellen im Gefüge der Raumzeit, die dazu beitragen können, Geheimnisse von Schwarzen Löchern bis zum Urknall aufzudecken.

Als nächstes planen die Wissenschaftler, ihr System zu miniaturisieren. Es ist bereits möglich, komprimierte Lichtquellen auf Chips zu platzieren, die nur einen halben Zentimeter breit sind. Innerhalb der nächsten ein oder zwei Jahre können wir mit Prototyp-Chips rechnen, die gequetschte Lichtquellen, Strahlteiler, Wellenleiter und Trägheitssensoren umfassen. „Dadurch wird diese Technologie praktischer, erschwinglicher und zugänglicher“, sagte Zheshen Zhang.

Darüber hinaus arbeitet das Forschungsteam derzeit mit Honeywell, dem Jet Propulsion Laboratory, NIST und mehreren anderen Universitäten an der Entwicklung einer quantenverstärkten Trägheitsmesseinheit im Chip-Maßstab. Zheshen Zhang sagte: „Unsere Vision ist es, solche integrierten Sensoren in autonomen Fahrzeugen und Raumfahrzeugen einzusetzen, um eine präzise Navigation ohne GPS-Signale zu erreichen.“

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