Verschränkte Quantenzustände ermöglichen präzisere Messungen, indem sie das Quantenprojektionsrauschen unter das Limit klassischer, unabhängiger Teilchen senken. Dies wurde nun in einer optischen Ionenuhr mit zwei verschränkten 40Ca+-Ionen demonstriert.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs DQ‑mat und des Exzellenzclusters QuantumFrontiers haben dafür experimentelle und theoretische Physikerinnen und Physiker an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover zusammengearbeitet. Begleitet durch theoretische Modellierung wurde die verschränkte Calcium-Ionenuhr direkt mit einer Strontium-Gitteruhr an der PTB verglichen, deren große Atomzahl eine überlegene Kurzzeitstabilität bietet. Dies ermöglichte einen direkten Test der Frequenzstabilität der Ionenuhr.
Um das Standard-Quantenlimit zu übertreffen, müssen Laserfrequenzrauschen unterdrückt, Störungen der atomaren Energieniveaus minimiert und ein hoher Detektionskontrast erreicht werden. Durch die Präparation der Ionen in einem verschränkten, dekohärenzfreien Zustand (enDFS) wird das Magnetfeldrauschen – der Hauptbegrenzungsfaktor bei Calcium-Ionenuhren – stark reduziert. Dadurch verlängert sich die Interrogationszeit um mehr als das 500‑fache; sie nähert sich ohne aufwendige Magnetfeldabschirmung der natürlichen Lebensdauer des angeregten Uhrenzustands an. Mit dem enDFS‑Protokoll demonstrierte das Team eine bei gleicher Interrogationszeit mit klassischen Protokollen unerreichbar niedrige Frequenzinstabilität. Zugleich realisiert das Experiment dank der langen Kohärenzzeiten die bislang stabilste 40Ca+-Ionenuhr und reduziert die technischen Anforderungen an die Magnetfeldkontrolle.
Die Ergebnisse zeigen, dass Verschränkung nicht nur eine Ressource für die Quanteninformationsverarbeitung ist, sondern auch einen konkreten praktischen Vorteil für die Präzisionsmetrologie bietet – und eröffnen neue Perspektiven für künftige optische Multi-Ionenuhren.
Originalpublikation
K. Dietze et al.
Entanglement-enhanced optical ion clock
Phys. Rev. Lett. 136, 073601 (2026)
