Quantenphysikalische Experimente, die die Bewegung makroskopischer oder schwerer Objekte unter dem Einfluss von Gravitationskräften untersuchen, erfordern den Schutz vor jeglichen Störungen aus der Umgebung und hochempfindliche Messungen.
Ein ideales System ist ein hochgradig reflektierender Spiegel, dessen Bewegung durch monochromatisches Licht gemessen wird. Das Licht wird photoelektrisch mit hoher Quanteneffizienz registriert. Ein quantenoptomechanisches Experiment wird umgesetzt, wenn die Quantenunschärfen des Lichts und des Spiegels sich gegenseitig beeinflussen und letztendlich zur Beobachtung einer Verschränkung zwischen optischen und bewegungsbezogenen Freiheitsgraden führen.
Im Journal AVS Quantum Science, das von AIP Publishing und AVS mitherausgegeben wird, machten Wissenschaftler der Universität Hamburg eine Neubetrachtung der Gravitationswellendetektoren als Beispiel für Quantentechnologien und untersuchten die Grundlagenforschung zur Verbindung zwischen Quantenphysik und Gravitation. Die Gravitationswellenastronomie erfordert beispiellose Empfindlichkeiten zur Messung der winzigen Raumzeitschwingungen in Frequenzen des Audiobandes und darunter.
Das Team untersuchte kürzliche Gravitationswellenexperimente und zeigte, dass es möglich ist, große Objekte wie einen 40 Kilogramm schweren Spiegel aus Quarzglas, welcher 200 Kilowatt Laserlicht reflektiert, vor starken Störungen aus der thermalen und seismischen Umgebung abzuschirmen. Das erlaubte die Entwicklung als ein Quantenobjekt.
“Der Spiegel nimmt nur das Licht wahr und das Licht nur den Spiegel. Die Umgebung ist für die beiden praktisch nicht da”, sagte der Autor Roman Schnabel. “Ihre gemeinsame Entwicklung wird durch die Schrödiger-Gleichung beschrieben.”
Diese Entkopplung von der Umgebung, die entscheidend für alle Quantentechnologien ist (Quantencomputer eingeschlossen), erlaubt Messempfindlichkeiten, die ansonsten nicht möglich wären. Die Neubetrachtung überschneidet sich mit der Arbeit des Nobelpreisträgers Roger Penrose zur Erforschung des Quantenverhaltens massereicher Objekte. Penrose versuchte die Verbindung zwischen Quantenphysik und Gravitation besser zu verstehen, was eine offene Frage bleibt.
Penrose dachte über ein Experiment nach, in dem Licht durch den Strahlungsdruck an ein mechanisches Gerät gebunden wird. In ihrer Neubetrachtung zeigen die Forscher, dass diese grundlegenden Fragen der Physik zwar ungelöst bleiben, aber dass die hochgradig abgeschirmte Verbindung massereicher, Laserlicht reflektierender Geräte beginnt, die Sensortechnologie zu verbessern.
Wissenschaftler werden zukünftig wahrscheinlich die weitere Entkopplung von Gravitationswellendetektoren und umgebungsbedingten Störungseinflüssen erforschen. Allgemeiner gesagt, ist die Entkopplung von Quantengeräten und jeglichem thermalen Energieaustausch mit der Umgebung der Schlüssel. Das ist eine Anforderung an Quantenmessinstrumente und auch an Quantencomputer.
Studie: “Macroscopic quantum mechanics in gravitational-wave observatories and beyond” von Schnabel et al., AVS Quantum Science
(THK)
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