Quantenwissenschaftler der UC Santa Barbara führen NSF durch

Auf atomarer und subatomarer Ebene gibt es Verhaltensweisen, die ein enormes Potenzial haben, die Art und Weise, wie wir die Welt sehen und mit ihr interagieren, zu verbessern, indem sie aktuelle Technologien verbessern und möglicherweise neue Technologien hervorbringen. Der Hauptvorteil der Quantensensorik ist ihre extreme Empfindlichkeit und Genauigkeit, die in der Lage ist, die schwächsten Signale zu erfassen und in kleinsten Maßstäben zu messen.

Nun sind mehrere Forscher der UC Santa Barbara bereit, ihr Fachwissen in der Quantenwissenschaft im Rahmen des Programms Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems (QuSeC-TAQS) der US National Science Foundation (NSF) einzusetzen. Sie schließen sich einer Kohorte von 18 Forschungsteams an Universitäten in den USA an, die durch eine 29-Millionen-Dollar-Investition der NSF unterstützt werden, um Möglichkeiten zu erkunden, die verschwindend kleinen und manchmal kontraintuitiven Quanteneigenschaften der Natur zu nutzen, um Möglichkeiten auf menschlicher Ebene zu schaffen.

Die Teams erhalten über einen Zeitraum von vier Jahren jeweils 1 bis 2 Millionen US-Dollar, um eine breite Palette explorativer Forschungsaktivitäten durchzuführen. Die möglichen Auswirkungen sind vielfältig und reichen von der Fähigkeit, Gravitationswellen zu spüren, während sie sich im Raum ausbreiten, bis hin zu einer Möglichkeit, die inneren Funktionen lebender Zellen zu beobachten.

„Seit Jahrzehnten hat die wissenschaftliche Erforschung der Quantenskala überraschende Entdeckungen über die Funktionsweise unseres Universums hervorgebracht – und verlockende Möglichkeiten für quantenbasierte Technologien“, sagte NSF-Direktor Sethuraman Panchanathan. „Mit diesen und anderen Projekten machen wir jetzt den nächsten Schritt in der Quantenforschung, die Grundlagenforschung mit potenziellen Anwendungen verbinden, die sich positiv auf unser Leben, unseren wirtschaftlichen Wohlstand und unsere Wettbewerbsfähigkeit als Nation auswirken können.“

Ein quantenverstärktes optisches Magnetometer: Galan Moody und Paolo Pintus

Wie der Name schon sagt, misst ein Magnetometer ein Magnetfeld und liefert auf diese Weise wichtige Informationen über Ziele in Bezug auf dieses Feld. Ein Kompass ist ein einfaches Gerät dieser Art, das Informationen über die eigene Richtung relativ zum Erdmagnetfeld liefert. Wissenschaftler nutzen weiterhin die elegante Leistungsfähigkeit dieser Technologie in einer wachsenden Liste von Anwendungen, von der Archäologie bis zur Weltraumforschung.

Der Elektro- und Computertechnik-Professor Galan Moody und der Wissenschaftler Paolo Pintus wollen die hohe Präzision der Quantensensorik auf die Magnetometrie übertragen und alles auf einem Chip aufbauen. Denken Sie an LIGO, das Laserinterferometer, das im Jahr 2015 die geringsten Wellen entdeckte, die durch Gravitationswellen erzeugt wurden, die 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt entstanden. Das Team wird ein analoges Interferometer-Experiment auf einem Halbleiterchip aufbauen, das anstelle von Gravitationswellen kleinste Schwankungen in Magnetfeldern erfassen kann.

„Anstelle von Detektoren im Kilometermaßstab haben wir Detektoren im Millimetermaßstab“, sagte Pintus, der sich auf integrierte Optik spezialisiert hat. Ihr vorgeschlagenes photonisches integriertes magneto-optisches Interferometer wäre in seiner Empfindlichkeit beispiellos – eine Steigerung um das Zehnfache über die Standardquantengrenze hinaus – eingebaut in ein kompaktes, energieeffizientes Gerät, das zur Erkennung winziger Magnetfelder mit Anwendungen in der Navigation, den Geowissenschaften usw. verwendet werden kann Biomedizin sowie Weltraumforschung.

Der Schlüssel zu diesem neuartigen Gerät mit geringem SWaP (Größe, Gewicht und Leistung) ist die Verwendung von Quantenlicht. „Wir können auf jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung aufbauen, um magnetooptische Sensoren herzustellen, die keine weiteren sperrigen Instrumente erfordern und sie kompakt und tragbar machen“, sagte Moody, dessen Fachwissen in der Quantenphotonik liegt. „Normalerweise werden diese Sensoren mit Lasern betrieben, ihre Empfindlichkeit ist jedoch begrenzt. Stattdessen können wir diese Grenze überschreiten, indem wir gequetschtes Licht verwenden – eine spezielle Art von Quantenlichtquelle, die weniger Rauschen als ein Laser hat.“

Die Verwendung von gequetschtem Licht ermöglicht sehr präzise Messungen der Phase der Lichtwellen im Verhältnis zum Ziel und reduziert gleichzeitig das Rauschen, das hochpräzise Messungen leicht verdecken könnte.

Im Rahmen des Projekts und in Zusammenarbeit mit Partnern an der Universität Cagliari in Italien und Professor Caroline Ross am Massachusetts Institute of Technology (MIT) beabsichtigt das Team, einen Postdoktoranden einzustellen, der ihn bei Forschung und Lehre unterstützt. Sie werden auch mit Kollegen der NASA, Luna Innovations und Raytheon zusammenarbeiten.

„Wir möchten das Wissen über Quantenwissenschaften auch einem breiteren Publikum zugänglich machen“, kommentierte Pintus, „sowohl für die Öffentlichkeitsarbeit als auch für Lehrveranstaltungen im Rahmen der UCSB- und MIT-Programme.“ Am MIT wird sich das von Ross geleitete Forschungsteam auf die Entwicklung von Materialien konzentrieren, die die gewünschten Eigenschaften wie Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch bieten könnten, während Moody und Pintus an der Einbettung von komprimiertem Licht bzw. der Herstellung des eigentlichen Chips unter Verwendung dieses Materials arbeiten werden .

Neuartige Quantenalgorithmen für optische Atomuhren: Andrew Jayich

Optische Atomuhren sind der Goldstandard für die Zeitmessung; Ihre Fähigkeit, die Zeit in äußerst feinen Intervallen zu messen, macht sie zu den präzisesten Instrumenten, die jemals hergestellt wurden. Basierend auf den Schwingungen des Lichts bei den hohen Frequenzen, die Atomübergängen entsprechen, „ticken“ solche Uhren viel schneller als herkömmliche Atomuhren, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten, und sind bereit, die Zeitmessung und Synchronisierung in vielen Anwendungen zu verbessern und gleichzeitig neue zu ermöglichen.

Um das Potenzial dieser ultrapräzisen Uhren weiterzuentwickeln, wollen Andrew Jayich, Physikprofessor an der UC Santa Barbara, zusammen mit Kenneth Brown (Duke University), Shimon Kolkowitz (UC Berkeley), David Leibrandt (UCLA) und Marianna Safronova (University of Delaware) neue Erkenntnisse gewinnen Quantenalgorithmen für Netzwerke optischer Uhren. Diese Algorithmen könnten die Verwendung optischer Uhren als Sensoren ermöglichen und ihre außergewöhnlich feinen Messfähigkeiten nutzen, um die schwächsten Signale aus dem Universum zu erfassen.

„Im Großen und Ganzen verwenden Atomuhren seit ihrer Einführung denselben Algorithmus“, sagte Jayich, dessen Forschungsspezialität in der Präzisionsmessung mit Atomen und Molekülen liegt. „Und wir wollen neue Möglichkeiten erkunden, indem wir sie mit fortschrittlicheren Algorithmen ausführen, die weitgehend auf Entwicklungen in der Quanteninformationswissenschaft der letzten Jahrzehnte basieren.“

Mithilfe von für die Quanteninformationswissenschaft entwickelten Werkzeugen möchte das Team Algorithmen entwickeln, um optische Atomuhren für Sensoranwendungen zu optimieren. Ihr Ziel ist es, die Empfindlichkeit der Uhren gegenüber bestimmten Phänomenen wie Gravitationswellen oder Dunkler Materie zu maximieren und gleichzeitig die Empfindlichkeit gegenüber Rauschquellen zu minimieren. Die algorithmische Arbeit könnte auch dazu beitragen, ihre Größe, ihr Gewicht und ihren Energiebedarf zu reduzieren, was dazu beitragen könnte, transportable optische Uhren zu realisieren. Das Projekt wird Bachelor- und Masterstudenten sowie Postdoktoranden in der interdisziplinären Forschung an der Spitze der Quantenmetrologie ausbilden und weiterführende Schüler erreichen, um ihnen optische Uhren und Präzisionsmessungen näher zu bringen.

Forscher der UC Santa Barbara werden auch an Quantensensorprojekten anderer Universitäten teilnehmen, darunter:

Kompakte und robuste Quantenatomsensoren für Zeitmessung und Trägheitsmessung: Dan Blumenthal Was Quantensensoren ideal macht – ihre erstaunliche Empfindlichkeit – macht sie auch anfällig für Rauschen, das durch Temperaturen und elektromagnetische Felder verursacht wird. Der angesehene Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, Daniel Blumenthal, wird gemeinsam mit Kollegen der University of Wisconsin-Madison (UW-Madison) daran arbeiten, diese Hürden zu überwinden. Unter der Leitung von Jennifer Choy, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der UW-Madison, gehören dem Team auch die UW-Professoren Mikhail Kats, Mark Saffman und Swamit Tannu an.

Der Quantensensor der Wahl? Kalte Atome. Wenn Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, nehmen sie bestimmte Quanteneigenschaften an; Die Herausforderung für das Team besteht darin, mithilfe photonischer Integrationstechnologien, die im Blumenthal-Labor der UCSB entwickelt wurden, Kaltatomsensoren zu ermöglichen, die nicht nur kompakt, sondern auch tragbar und robust gegenüber der Umgebung sind.

„Wir freuen uns, unsere hochmoderne photonische Integrationsplattform aus Siliziumnitrid mit extrem geringem Verlust für diese Forschung einzusetzen“, sagte Blumenthal, dessen Fachwissen in der Hochleistungsphotonik mit sichtbarem Licht, Lasern mit ultraschmaler Linienbreite und der Integration kalter Atome liegt Quantensensorik und Computersysteme. „In unserem Labor werden wir unsere kostenlose, gießereikompatible Siliziumnitrid-Plattform für Metalloxid-Halbleiter (CMOS) einsetzen, um Laser mit ultraschmaler Linienbreite, Referenzkavitäten auf dem Chip und photonische Schaltkreise zum Kühlen und Einfangen von Rubidiumatomen zu entwerfen, herzustellen und zu testen und demonstrieren Sie die Funktionen, die zur Miniaturisierung eines trägheitsempfindlichen Kalt-Rubidium-Atom-Interferometers erforderlich sind. Wir werden auf unserer jüngsten erfolgreichen Demonstration der photonischen Integration zur Erzeugung kalter Rubidiumatome in einer dreidimensionalen magnetooptischen Falle (3DMOT) aufbauen.“

Um diese Systeme zu miniaturisieren und robuster zu machen, plant das Team die Entwicklung und Integration einer Reihe von Hardware und Algorithmen im photonischen Chipmaßstab, darunter ein „Quantensensor-Toolkit“, das Laser und Optiken, optimierte Quantenalgorithmen für Sensorfusion und Kalibrierungen umfasst. und optimale Nutzung der Quantenverschränkung.

Diese Sensoren könnten in tragbaren Geräten wie Beschleunigungsmessern und Atomuhren eingesetzt werden, mit denen Messungen unter rauen Bedingungen wie im Weltraum oder an den Polen durchgeführt werden könnten, und die Fahrzeuge dorthin führen könnten, wo kein GPS verfügbar ist.

Quantensensorplattform für biomolekulare Analytik: Ania Jayich

Die faszinierende und beeindruckende Kraft der Quantensensorik wird bald auf eine ebenso faszinierende und beeindruckende Welt übertragen: unseren eigenen Körper. Zu diesem Zweck wird die Physikerin Ania Jayich zusammen mit Kollegen der University of Chicago, der University of Washington (UW) und der UCLA ihr Fachwissen im Bereich der Stickstoff-Leerstellenzentren in Diamant einsetzen. Das Ziel? Eine Quantensensorplattform für die biomolekulare Analytik.

Ein Stickstoff-Leerstellenzentrum ist eine Stelle in einem ansonsten perfekten Kohlenstoffgitter im Diamant, die aus einem Stickstoffatom neben einer leeren Stelle besteht. Dieser Punktdefekt dient als winziger Sensor, mit dem Forscher ebenso winzige atomare und subatomare Verhaltensweisen beobachten können, die als Reaktion auf Zielbedingungen in Zellen ausgelöst werden.

„Ein quantenaktivierter Biosensor würde einen genaueren Blick auf die innere Struktur und Dynamik von Biomolekülen ermöglichen und eine neue Generation molekularbiologischer Tests einleiten, mit denen Proteine in Konzentrationen deutlich unter den aktuellen Grenzwerten nachgewiesen werden können“, sagte Jayich, zu dessen Forschung die Bildgebung von Biomolekülen gehört Quanteneffekte auf der Nanoskala. Unter der Leitung von Peter Maurer, Professor für Molekulartechnik an der UChicago, möchte das Team, zu dem auch Karoly Holczer (UCLA), Stefan Stoll (UW) und Alexander High (UChicago) gehören, eine Plattform entwickeln, die die Konzentration von Tausenden von Proteinen im Blut überwachen kann zwischen der Vielzahl von Proteinbindungsereignissen unterscheiden. Damit könnten sie den Weg ebnen, Krankheiten schon vor ihrer klinischen Manifestation vorherzusagen.

Jayich wird an der Entwicklung von Sensoren arbeiten, die die erforderliche Quantenkohärenz aufweisen, wenn sie in unmittelbarer Nähe zu biologischen Zielproben platziert werden. Sie wird sich insbesondere auf die Erforschung mehrerer interagierender und verschränkter Sensoren konzentrieren, um die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung zu erreichen, die für die anspruchsvolle Aufgabe des Nachweises von Proteinen in winzigen Konzentrationen erforderlich sind.

Sonia FernandezLeitender Wissenschaftsautor (805) [email protected]

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