Eeuwenlang, mensen hebben hun begrip van de wereld uitgebreid door steeds nauwkeuriger licht en materie te meten. Vandaag, kwantumsensoren bereiken uiterst nauwkeurige resultaten. Een voorbeeld hiervan is de ontwikkeling van atoomklokken, die naar verwachting in dertig miljard jaar niet meer dan een seconde zullen winnen of verliezen. Zwaartekrachtsgolven werden ook gedetecteerd via kwantumsensoren, in dit geval door gebruik te maken van optische interferometers.

Kwantumsensoren kunnen gevoeligheden bereiken die onmogelijk zijn volgens de wetten van de conventionele natuurkunde die het dagelijks leven beheersen. Die gevoeligheidsniveaus kunnen alleen worden bereikt als men de wereld van de kwantummechanica betreedt met zijn fascinerende eigenschappen - zoals het fenomeen superpositie, waar objecten op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn en waar een atoom twee verschillende energieniveaus tegelijkertijd kan hebben.

Zowel het genereren als het beheersen van dergelijke niet-klassieke toestanden is buitengewoon complex. Vanwege de hoge gevoeligheid die vereist is, deze metingen zijn gevoelig voor externe interferentie. Verder, niet-klassieke toestanden moeten worden aangepast aan een specifieke meetparameter. "Helaas, dit resulteert vaak in verhoogde onnauwkeurigheid met betrekking tot andere relevante meetparameters", zegt Fabian Wolf, beschrijving van de uitdaging. Dit concept is nauw verbonden met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Wolf maakt deel uit van een team van onderzoekers van de Leibniz University Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig, en het Nationaal Instituut voor Optica in Florence. Het team introduceerde een methode op basis van een niet-klassieke toestand, aangepast aan twee meetparameters tegelijk.

Het experiment kan worden gevisualiseerd als de kwantummechanische versie van een eenvoudige slinger. In dit geval, de aangepaste meetparameters zijn de maximale verplaatsing van de slinger (amplitude) en het aantal trillingen per seconde (frequentie). De slinger omvat een enkel magnesiumion dat is ingebed in een "ionenval". Via laserlichtinteracties, onderzoekers waren in staat om het magnesiumion af te koelen tot de grondtoestand van een kwantummechanisch systeem, de koudst haalbare staat. Vanaf daar, ze genereerden een "Fock-toestand" van de beweging en oscilleerden de slinger met één atoom met behulp van een externe kracht. Hierdoor konden ze amplitude en frequentie meten met een gevoeligheid die ongeëvenaard is door een conventionele slinger. In tegenstelling tot eerdere experimenten, dit was het geval voor beide meetparameters zonder dat de niet-klassieke toestand moest worden aangepast.

Door gebruik te maken van deze nieuwe aanpak, het team verminderde de meettijd met de helft terwijl de resolutie constant bleef of verdubbelde de resolutie met een constante meettijd. Hoge resolutie is vooral belangrijk voor spectroscopietechnieken die gebaseerd zijn op het veranderen van de bewegingstoestand. In dit specifieke geval, onderzoekers zijn van plan om individuele moleculaire ionen te analyseren via laserbestraling om moleculaire beweging te stimuleren. Met de nieuwe procedure kunnen ze de toestand van het molecuul analyseren voordat het wordt verstoord door te intense laserstraling. "Bijvoorbeeld, precisiemetingen van moleculen kunnen interacties tussen conventionele en donkere materie aan het licht brengen, wat een grote bijdrage zou zijn aan het oplossen van een van de grootste mysteries in de hedendaagse natuurkunde", zegt Fabian Wolf. Het meetconcept, die onderzoekers voor het eerst hebben aangetoond, zou ook de resolutie in optische interferometers zoals zwaartekrachtgolfdetectoren kunnen verbeteren, waardoor meer diepgaand inzicht wordt verkregen in het aanbreken van het universum.