Forscher der University of Sydney und der RMIT University haben einen neuartigen Ansatz für die Quantenmessung entwickelt, der die Heisenbergsche Unschärferelation neu interpretiert. Die am 24. September 2025 in Science Advances veröffentlichte Arbeit ermöglicht die gleichzeitige präzise Messung von Ort und Impuls eines Teilchens durch eine Umverteilung der Unsicherheit. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung hochpräziser Quantensensoren.
Die Heisenbergsche Unschärferelation, ein Grundprinzip der Quantenmechanik, besagt, dass bestimmte komplementäre Eigenschaften eines Teilchens, wie Ort und Impuls, nicht gleichzeitig mit unbegrenzter Genauigkeit bestimmt werden können. Eine höhere Präzision bei der Messung einer Eigenschaft führt unweigerlich zu einer größeren Unsicherheit bei der anderen. Diese Einschränkung hat bisher die Entwicklung von Sensoren, die kleinste Veränderungen mit höchster Genauigkeit erfassen, erschwert.
Die neue Methode verlagert die Unsicherheit gezielt in weniger kritische Bereiche der Messung, was eine beispiellose Präzision bei der Erfassung von Ort und Impuls ermöglicht. Die Wissenschaftler nutzten hierfür sogenannte 'Grid States', ein Konzept aus der Fehlerkorrektur für Quantencomputer. Mit dieser Technik konnten sie Unsicherheiten im Bereich von einem halben Nanometer und Kräfte im Bereich von Yoctonewton messen, was der Empfindlichkeit des Gewichts von etwa 30 Sauerstoffmolekülen entspricht.
Die Fähigkeit, derart geringe Signale präzise zu messen, hat weitreichende Implikationen für Technologie und Wissenschaft. Quantensensorik verspricht, Navigationssysteme zu revolutionieren, insbesondere dort, wo GPS-Signale unzuverlässig sind. In der Medizin könnten ultraempfindliche Sensoren neue diagnostische Werkzeuge für detailliertere Bildgebung und Früherkennung von Krankheiten ermöglichen. Auch in der Astrophysik, etwa für Gravitationswellen-Observatorien wie LIGO, eröffnen sich neue Möglichkeiten zur präziseren Messung subtilster Gravitationsverzerrungen, was das Verständnis des Universums vertiefen könnte.
Diese Forschung ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit zwischen experimentellen Physikern der University of Sydney und theoretischen Forschern von der RMIT University, der University of Melbourne, der Macquarie University und der University of Bristol. Solche Kooperationen sind entscheidend für den Fortschritt in der Quantenforschung und zur Stärkung der globalen wissenschaftlichen Gemeinschaft. Die Entwicklung dieser Technologie unterstreicht das wachsende globale Interesse an Quantentechnologien und ebnet den Weg für zukünftige Innovationen.