Metrologie hört sich langweilig an, ist aber super wichtig, um Grundlagenforschung in Anwendungen umzusetzen. Und je kleiner das Objekt, desto genauer muss die Messung sein, um etwas verlässlich reproduzieren zu können. Aber wenn man mit immer kleineren Objekten arbeitet, dann wird man irgendwann mit Effekten der Quantenmechanik konfrontiert. Dazu braucht man dann Quantenmetrologie.
Nun mögen Sie denken, sobald Quanten ins Spiel kommen, lässt sich nicht mehr ordentlich messen – wegen des Unschärfeprinzips. Tatsächlich aber ist das Gegenteil der Fall. Dank Quanteneffekten kann man sogar besser messen.
Das Unschärfeprinzip besagt, dass sich bestimmte Größen nicht gleichzeitig exakt messen lassen. Zum Beispiel Ort und Impuls eines Teilchens: Wenn man eine von diesen beiden Größen genau misst, ist der Wert der anderen zwangsläufig sehr ungenau. Doch die Quantenmechanik hält einen nicht generell davon ab, etwas genau zu messen. Man muss sich nur entscheiden, was man messen will.
Warum sich mit Quanteneffekten genauer messen lässt als ohne, hat denselben Grund wie das schnellere Rechnen von Quantencomputern: Mit Quanteneffekten kann man Teilchen auf viel mehr Arten korrelieren als ohne. Diese quantentypischen Korrelationen heißen auch „Verschränkungen“. Weil es so viele Verschränkungen gibt, kann man sehr viel Information mit nur wenigen Quantenteilchen verarbeiten und speichern. In einem Quantencomputer soll das helfen, Rechnungen schneller auszuführen. In der Quantenmetrologie kommt einem das zugute, weil mehr Information auf kleinem Raum die Sensitivität von Messungen erhöhen kann. Quantencomputer gibt es bereits, doch die Geräte sind bislang von rein akademischem Interesse. Das Problem ist, dass sehr viele Teilchen verschränkt werden müssen, um mit ihnen nützliche Rechnungen ausführen zu können. Für die Quantenmetrologie jedoch tun es schon einige wenige Verschränkungen.
Störanfällig und schwer zu kontrollieren
Die theoretischen Grundlagen der Quantenmetrologie wurden bereits in den 1980er-Jahren gelegt. Danach aber passierte lange Zeit nicht viel, denn Quanteneffekte sind sehr anfällig für kleinste Störungen und lassen sich schwer kontrollieren. Quantenmetrologie hatte damals dasselbe Problem, das Quantencomputer noch immer haben. Doch in den letzten 20 Jahren haben Physiker bei der Kontrolle von Quantenzuständen enorme Fortschritte gemacht. Und während man bei Quantencomputern noch immer mit der Störanfälligkeit kämpft, ist die Quantenmetrologie zu einer der vielversprechendsten Quellen neuer Technologien herangewachsen.
So demonstrierte im Jahr 2009 eine Gruppe japanischer Forscher, wie sich mit verschränkten Photonen die Auflösung optischer Kohärenztomografie verbessern lässt. Das ist eine Methode, die zur Untersuchung von biologischem Gewebe eingesetzt werden kann, die aber auch ganz allgemein für Materialien geeignet ist, in denen Licht gestreut wird. Die japanische Forschergruppe benutzte dazu Paare von verschränkten Photonen, von denen je eins auf das Gewebe gerichtet und dort gestreut wird. Aus einem Vergleich der beiden Photonen kann man dann erkennen, wo die Streuung stattgefunden hat, und daraus ein Bild des Gewebes aufbauen. Das ist die „Quantenkohärenztomografie“.
