Studie: Enkel atom als Messsonde nutzt erstmals Quanteninformationen

Professor Dr. Artur Widera. (Foto: Koziel/TUK)

Sensoren meten bepaalde parameters zoals temperatuur en luchtdruk in hun omgeving. Physici uit Kaiserslautern zijn er samen met een collega uit Hannover voor het eerst in geslaagd om een enkel cesium-atoom te gebruiken als sensor voor ultrakoude temperaturen. Om de meetgegevens te verkrijgen, maken ze gebruik van de kwantumtoestanden, de spin of ook wel het eigen-rotatie-impuls van het atoom genoemd. Hiermee hebben ze de temperatuur van een ultracoud gas en het magnetisch veld gemeten. Het systeem onderscheidt zich door een bijzonder hoge gevoeligheid. Zulke sensoren zouden in de toekomst bijvoorbeeld ingezet kunnen worden om kwantumsystemen storingsvrij te onderzoeken. Het werk is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad "Physical Review X".

Bij hun experimenten observeren de wetenschappers onder leiding van professor dr. Artur Widera, die onderzoek doet naar kwantumsystemen, afzonderlijke cesium-atomen in een rubidiumgas dat tot dicht bij het absolute nulpunt is afgekoeld – de temperatuur ligt hier slechts nog een miljardste deel van een graad boven dat nulpunt. In hun huidige studie hebben ze onderzocht of de spin-toestanden van het cesium-atoom kunnen worden gebruikt om informatie te verkrijgen. "Met de term spin wordt de eigendraai-impuls van een atoom bedoeld," zegt professor Widera van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK). "Bij cesium zijn er zeven verschillende mogelijkheden voor deze spin." De focus van de experimenten lag op de temperatuur van het gas.

Wanneer het enkele cesium-atoom in het rubidiumgas wordt ingebracht, botsen de rubidium-atomen hiermee. "Tijdens die botsingen kan er uitwisseling van het draaimoment plaatsvinden tussen de atomen totdat een evenwicht van de spin is bereikt," legt dr. Quentin Bouton uit, hoofdonderzoeker en eerste auteur van de studie. De onderzoekers meten de spin van het individuele atoom en kunnen op die manier de temperatuur bepalen. Dat deze methode werkt, wordt aangetoond door een vergelijking met traditionele meetmethoden, waarbij de fysici dezelfde temperatuurwaarde verkrijgen.

Het bijzondere aan de studie was de hoge gevoeligheid bij de meting. Bij een typische meting wordt de sensor in contact gebracht met het koude gas en gewacht totdat een evenwicht is bereikt. "Voor kwantumsensoren bestaat er in het evenwicht eigenlijk een fundamentele grens aan de gevoeligheid. We hebben echter al vooraf informatie meegenomen over de interacties tussen cesium en rubidium, zodat we niet hoefden te wachten tot het atoom in evenwicht was met het rubidiumgas," vervolgt Bouton. Hierdoor beschikt het meetsysteem van de Kaiserslauterer onderzoekers over een ongeveer tien keer hogere gevoeligheid dan de fundamentele kwantumgrens vereist. "We hebben slechts drie spin-omwentelingen nodig, dat wil zeggen drie atomaire botsingen, om tot een resultaat te komen," aldus Bouton. Zo is ook de verstoring van het rubidiumgas beperkt tot slechts drie kwanta. Dit is een belangrijke stap richting een zo min mogelijk storingsgevoelige meting van gevoelige kwantumsystemen, die voor toekomstige toepassingen in de kwantentechnologie interessant zijn.

"We hebben hier voor het eerst een enkel atoom gebruikt als sensor dat kwantuminformatie benut en dat duidelijk beter is dan een klassieke sensor," benadrukt Widera. Ook met magnetische velden hebben de fysici dit experiment uitgevoerd en de magnetische toestanden vastgelegd. Hun systeem als gevoelige sensor is bijvoorbeeld geschikt om fragiele kwantumsystemen bijna zonder schade te onderzoeken.

Naast de werkgroep van professor Widera was professor dr. Eberhard Tiemann uit Hannover betrokken bij het werk. De studie is verschenen in het gerenommeerde vakblad Physical Review X: "Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics"
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011018

Vragen beantwoord door:
Prof. Dr. Artur Widera
Lehrgebiet Individual Quantum Systems
E-mail: widera(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4130