Präzise durch Raum und Zeit

News: Präzise durch Raum und Zeit

Die Genauigkeit, mit der sich heute Zeit und Ort bestimmen lassen, ist verblüffend und für private Zwecke sicherlich mehr als ausreichend. Indes kann die Synchronisation von Uhren für neue, schnelle Telekommunikation nicht genau genug sein, und auch die Wissenschaft würde sich über eine noch präzisere Ortsbestimmung freuen. Forscher schlagen nun deshalb vor, sich der Quantenmechanik zu bedienen, die einen besonderen Zustand von Photonen erlaubt, und so bislang nicht erreichte exakte Messungen von Ort und Zeit durchzuführen.

Thorsten Krome

Es ist noch gar nicht lange her, da musste ein normaler Magnetkompass, bestenfalls ein aufwendiger Kreiselkompass herhalten, um den Kurs von Schiffen zu bestimmen. Die Aufgabe von Navigatoren war es, aus den bekannten Daten die aktuelle Position zu berechnen und anhand von Seekarten eventuelle Kurskorrekturen vorzuschlagen. Seit aber ein Heer von Satelliten unseren Heimatplaneten umkreist, reicht ein Knopfdruck und die Position, Geschwindigkeit und der Kurs der kleinsten Segeljolle wird metergenau angezeigt – GPS macht's möglich.

Dabei bestimmte das System den Ort durch Laufzeitmessungen von elektromagnetischen Signalen. Da bekannt ist, dass sich derartige Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, reicht es, die Zeit zu messen, die das Signal braucht, um vom Satelliten zum Empfänger zu gelangen. Aus dieser Information lässt sich einfach die Entfernung zwischen den beiden Punkten errechnen. Das GPS-Empfängergerät kann nun aus drei dieser Messungen zu unterschiedlichen Satelliten mittels trigonometrischer Berechnung die genaue Position ermitteln und bei Bedarf mit einer vierten Messung sogar die Höhe bestimmen. Das gelingt dank spezieller Optimierung teilweise mit einer Genauigkeit, die sogar im Bereich von Zentimetern liegt.

Noch genauere Längenbestimmungen erlaubt das so genannte Laser Ranging, wie man es beispielsweise zur Bestimmung der Entfernung zwischen Erde und Mond nutzt. Das Messprinzip ist dabei dem GPS-System sehr ähnlich. Während der bemannten Missionen Apollo 11, 14 und 15 sowie der unbemannten Missionen Luna 17 und 21 wurden Reflektoranordnungen auf der Mondoberfläche aufgestellt. Laserpulse, die von mehreren Erdstationen stammen, werden von diesen Spiegeln reflektiert und schließlich etwa drei Sekunden später von der Bodenstation detektiert. Die Laufzeit des Signals lässt wie beim GPS auf die Entfernung schließen, jedoch mit ungleich höherer Genauigkeit. Sie liegt etwa bei fünf Millimetern.

Für mancherlei Anwendung ist das allerdings immer noch nicht genug und auch für wissenschaftliche Zwecke wäre eine exaktere Messung wünschenswert. Der limitierende Faktor ist dabei, wie genau sich die Ankunftszeit der Laserpulse detektieren lässt. Die Genauigkeit der Messung ist nämlich durch die Zahl der Lichtpulse und die Zahl der Photonen der jeweiligen Pulse beschränkt.

Vittorio Giovannetti und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge schlugen nun eine Methode vor, mit der sich die Messungen weiter verbessern ließen. Ihre Idee ist es, verschränkte Lichtpulse zu verwenden. Anders als herkömmliche Lichtblitze sind diese Pulse quantenmechanisch verknüpft. Das heißt, dass ihre Photonen eine Art innige Partnerschaft eingehen: Wird der Zustand eines Photons gemessen und damit festgelegt, so bestimmt das gleichzeitig auch den Zustand aller anderen verschränkten Photonen.

Die Forscher erwarten, dass eine Schar von Lichtpulsen, deren Frequenz verschränkt ist, die Messgenauigkeit um einen Faktor verbessern kann, der proportional zur Wurzel aus der Anzahl der Pulse ist, da die ankommenden Lichtpulse jeweils schärfer definiert wären. Wenn sich wiederum jeder Puls aus einer großen Zahl von verschränkten Photonen zusammensetzt, so verbessert das die Genauigkeit aus ähnlichen Gründen noch einmal um einen Faktor, der proportional zur Wurzel aus der Photonenzahl ist.

Allerdings bereitet es zur Zeit noch erhebliche Probleme, verschränkte Zustände aus mehr als zwei Photonen zu schaffen. In einer verwandten Arbeit schlugen Giovannetti und seine Kollegen aber bereits auch für dieses Problem eine Lösung vor. Die Wissenschaftler gehen jedenfalls davon aus, dass irgendwann Geräte wie ein "Quanten-Radar" oder in Anlehnung an GPS ein Quantum Positioning System (QPS) nicht mehr nur Zukunftsmusik wären. Mit dem hochpräzisen Messinstrument ließe sich vielleicht klären, warum der Mond sich langsam von der Erde entfernt, Uhren wären sehr genau auf einander abstimmbar, was wichtig für die Telekommunikation ist, und schließlich könnte das System auch im medizinischen Bereich Einsatz finden. Denn schwache Laserpulse aus verschränkten Photonen könnte man bei der Bildgewinnung immer dann einsetzen, wenn starker Laser das Gewebe schädigen würden.