Quantenmetrologie

Quantenmetrologie ist ein Teilgebiet der Metrologie, das Messungen durch den Einsatz von Quantenphänomenen wie Verschränkung, Squeezing oder anderen nichtklassischen Zuständen optimiert. Ziel ist es, die Unsicherheit bei der Bestimmung von Parametern zu verringern oder die Effizienz der Ressourcennutzung zu erhöhen, oft über das, was mit klassischen Messmethoden erreichbar wäre.

Zentrale Konzepte sind das Parametermodell, die Quantum Fisher Information (QFI) und die Cramér-Rao-Grenze, die die untere Grenze der Varianz einer Schätzung festlegen. Verschränkte oder Squeezed Zustände können die Messunsicherheit reduzieren und in idealisierten Modellen das Heisenberg-Limit erreichen; in der Praxis wird häufig eine Balance zwischen Ressourcenverlusten und erreichbarer Genauigkeit gesucht.

Typische Systeme umfassen optische Interferometer wie Mach-Zehnder mit NOON- oder squeez'd Zuständen sowie Atom- und Molekülinterferometer, Atomuhren und Magnetfeldsensoren auf Basis von Atomen oder NV-Zentren in Diamant. Anwendungen reichen von präziser Phasen- und Frequenzmessung über Längenmessung bis hin zu Gravitationswellen-Detektion, wo Quantenrauschen durch Squeezing reduziert wird.

Herausforderungen sind Verluste, Dekohärenz und technisches Rauschen; realweltliche Implementierungen erreichen oft nicht das theoretische Heisenberg-Limit. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf robustere Zustände, Fehlerkorrektur, adaptive Messprotokolle und die Integration in kompakte Sensoren für Wissenschaft und Industrie.