Quantensensoren versprechen eine beispiellose Messgenauigkeit. Doch in realistischen Umgebungen, in denen Störgeräusche vorherrschen, wird dieser Vorteil schnell zunichte gemacht. Forscher um Ben Lanyon vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben nun gezeigt, wie dieses Problem überwunden werden kann. Ihre neue Arbeit zeigt, dass Sensoren mit der richtigen Quantenkonfiguration vor Störungen geschützt bleiben und dennoch die gewünschten Signale messen können.
Mithilfe von drei Kalziumionen, die durch elektrische Felder an Ort und Stelle gehalten werden, schuf das Forschungsteam eine spezielle Art der Quantenverschränkung, die es den Sensoren ermöglicht, Störungen zu ignorieren. Selbst als das Team schnell wechselnde magnetische Störfelder anlegte – die stark genug waren, um alle Standard-Messmethoden außer Kraft zu setzen –, maßen die verschränkten Sensoren weiterhin genau. „Selbst unter verrauschten Bedingungen, die Standardmethoden überfordern, arbeitet unser verschränktes Sensorprotokoll weiterhin optimal“, sagt James Bate, der das Experiment durchgeführt hat. „Wir haben festgestellt, dass der quantenoptimierte Ansatz nicht nur dem Rauschen standhält, sondern auch jede mögliche klassische oder nicht verschränkte Strategie entscheidend übertrifft.“
Die Ergebnisse liefern die erste Umsetzung einer theoretisch optimalen Strategie zur Erfassung räumlich verteilter Felder unter Verwendung verschränkter Quantensensoren. Die Methode wurde kürzlich von einem Team um Wolfgang Dür vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck vorgeschlagen. Sie nutzt verschränkte Zustände, die so konstruiert sind, dass sie gleichzeitig maximal empfindlich für ein Zielfeld und immun gegen Rauschen mit einem anderen räumlichen Profil sind. „Einer der überzeugendsten Aspekte dieser Methode ist, dass sie weitaus weniger Ressourcen benötigt als Quantenfehlerkorrekturcodes, aber für diese Art von Messaufgaben gleich gute Ergebnisse erreichen kann“, erklärt Wolfgang Dür.
Über die Proof-of-Principle-Demonstration mit drei Ionen hinaus zeigen die Autoren theoretisch, dass der Quantenvorteil mit zunehmender Komplexität des gemessenen Feldes exponentiell skaliert. Da das Protokoll nur auf der relativen Positionierung der Sensoren und der Fähigkeit zur Erzeugung von Mehrteilchenverschränkung basiert, lässt es sich leicht auf zukünftige Quantensensornetzwerke mit Ionen, Atomen, Festkörperspins oder anderen Plattformen ausweiten.
„Dieses Experiment zeigt, dass Verschränkung in realen Sensorszenarien einen praktischen und robusten Vorteil bietet“, sagt Ben Lanyon. „In der weiteren Entwicklung von Quantennetzwerken werden verteilte Quantensensoren zu einer Schlüsselanwendung werden – einer Anwendung, bei der Störungsresistenz nicht nur von Vorteil, sondern unverzichtbar ist.“ Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial für die Schaffung von Netzwerken aus Quantensensoren, die über Laboratorien, Städte oder sogar Kontinente hinweg betrieben werden können. Solche Systeme könnten eines Tages Umweltveränderungen überwachen, nach neuen physikalischen Phänomenen suchen oder Technologien, die auf ultrapräzisen Messungen beruhen, erheblich verbessern.
Die Studie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit innerhalb des Exzellenzclusters Quantum Science Austria (QuantA) und wurde in Physical Review Letters veröffentlicht. Sie wurde unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG und der Europäischen Union finanziell unterstützt.
Publikation: Experimental Distributed Quantum Sensing in a Noisy Environment. J. Bate, A. Hamann, M. Canteri, A. Winkler, Z. X. Koong, V. Krutyanskiy, W. Dür, and B. P. Lanyon. Phys. Rev. Lett. 2025 DOI: 10.1103/3hgx-wcdn