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GRAVITATIONSWELLEN
Heisenbergs Unschärferelation ausgetrickst
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (AEI)
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1. Juli 2013

Die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen konnten bislang nur indirekt nachgewiesen werden. Eine direkte Messung dieser Kräuselungen der Raumzeit ist bislang, trotz großer technischer Fortschritte, nicht gelungen. Nun haben Wissenschaftler ein neues Messkonzept entwickelt, das die Messungen noch genauer machen soll.

GEO600

Panorama des Gravitationswellendetektors GEO600 südlich von Hannover. Foto: Albert-Einstein-Institut Hannover

Die Wissenschaftler des Albert-Einstein-Instituts (AEI; Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover und Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) in Hannover sind der letzten offenen Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie auf der Spur - den schwer zu fassenden Gravitationswellen, die ein neues Fenster zum All öffnen werden. Die Forscher wollen diese Kräuselungen der Raumzeit mit Detektoren wie GEO600 in Ruthe bei Hannover und Advanced LIGO-Projekt (aLIGO) in den USA aufspüren.

Dort arbeiten Laser, die winzige, von Gravitationswellen hervorgerufene Längenänderungen registrieren sollen. Die stetige Verbesserung der verwendeten Laser und die Minimierung von Störeinflüssen - etwa Laserstreulicht - ist daher von großer Bedeutung. Nun erzeugten die Physiker erstmals Laserlicht mit maßgeschneiderten Quanteneigenschaften. Damit umgehen sie sogar die Heisenbergsche Unschärferelation, die gewöhnlich die Genauigkeit von Messungen begrenzt.

"Durch den Einsatz unseres neuartigen Verfahrens kann der Störeinfluss von Streulicht in Gravitationswellendetektoren zukünftig deutlich reduziert werden. Damit würde GEO600 dann noch empfindlicher nach Gravitationswellen aus dem All lauschen. Nach einem erfolgreichen Einbau kann die Technologie dem weltweiten Netz der Gravitationswellenobservatorien zur Verfügung gestellt werden", sagt Roman Schnabel, Leiter der Arbeitsgruppe für Quanteninterferometrie und gequetschtes Licht am AEI und Wissenschaftler im Forschungsbereich "Quantensensoren" des Exzellenzclusters QUEST.

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Verschränkte Zustände spielen die Hauptrollen im neuen Messverfahren der Hannoveraner Forscher. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation lassen sich die quantenmechanische Eigenschaften prinzipiell nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmen. Bei Teilchen gilt das etwa für Ort und Impuls, bei Lichtwellen für Amplitude und Phase.

Bisher verwendeten die AEI-Wissenschaftler bei GEO600 sogenanntes gequetschtes Laserlicht. Dabei verringern die Forscher die Unschärfe in der Phase oder in der Amplitude des Lichts, allerdings auf Kosten einer erhöhten Unschärfe in der anderen Messgröße. So lassen sich jeweils nur entweder die Phase oder die Amplitude sehr genau auslesen. "Für laserbasierte Präzisionsmessungen mit Hilfe einer einzigen Quanteneigenschaft des Lichts ist ein Quetschlichtlaser das Instrument unserer Wahl. Aber wir haben uns gefragt, ob auch in der anderen Messgröße verwertbare Informationen stecken", so Schnabel.

Daher wendeten die Forscher einen weiteren Trick an. Durch die Überlagerung von zwei Quetschlichtlaserstrahlen erzeugten sie zwei neue Laserstrahlen, die quantenmechanisch miteinander verschränkt sind. Einer der Strahlen wird zur Präzisionsmessung verwendet, der andere dient als Referenzstrahl. Durch einen Vergleich zwischen Mess- und Referenzstrahl können die Forscher nun Phase und Amplitude gleichzeitig mit verringerter Unschärfe vermessen und so winzige Schwankungen in beiden Größen registrieren.

"Wir können der Heisenbergschen Unschärferelation nun erstmals ein Schnippchen schlagen, weil wir die Messgrößen relativ zu einem verschränkten Referenzsystem aufnehmen", erklärt Sebastian Steinlechner, Erstautor der kürzlich in Nature Photonics erschienenen Veröffentlichung, der als Doktorand in Schnabels Arbeitsgruppe im Rahmen des Sonderforschungsbereich/Transregio 7 arbeitet. 

Damit unterdrücken die Physiker den störenden Einfluss von Laserstreulicht im Detektor. Schon einzelne Laserphotonen, die auf unerwünschten Umwegen durch den Detektor laufen, können sich untrennbar mit dem Messsignal überlagern und so die Ergebnisse verfälschen. Doch das neue Verfahren erlaubt nun eine genauere und voneinander unabhängige Messung der Phasen- und Amplitudenschwankungen des Laserlichts. Durch diese Aufspaltung in zwei unabhängige Komponenten lässt sich das Streulicht schon während der Messung direkt identifizieren. Betroffene Messdaten werden von der weiteren Auswertung ausgeschlossen - und die Genauigkeit des Endergebnisses erhöht sich.

Der Gravitationswellendetektor GEO600 kann die erste praktische Anwendung für das neuartige Messkonzept der AEI-Wissenschaftler werden. Denn die erforderlichen Technologien sind in einfacherer Form bereits seit zwei Jahren im Detektor eingebaut und haben sich bewährt: Seit 2011 wurde die Messgenauigkeit des interferometrischen Detektors GEO600 durch die Verwendung gequetschten Laserlichts bereits um rund 50 Prozent gesteigert (astronews.com berichtete).

Doch wird sich die Empfindlichkeit des Detektors nur dann weiter verbessern lassen, wenn die Physiker dem Streulicht auf die Spur kommen. Die Forscher sind zuversichtlich, diesen störenden Einfluss mit ihrem neuartigen Verfahren zu reduzieren und auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit einer ersten direkten Messung der Gravitationswellen zu erhöhen - denn auf eine solche Messung warten die Wissenschaftler, trotz aller technischen Fortschritte der vergangenen Jahre, noch immer.

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Links im WWW
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