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Sicherung von Informationen in schwankenden Quantensignalen

Neue Analysemethode erschließt verborgene Informationen in schwankenden Materiewelleninterferenzen

27.08.2026

Stellen Sie sich vor, Sie beobachten Dutzende von Pendeln, die vollkommen synchron schwingen. Wenn sie sich gemeinsam in einem regelmäßigen Muster bewegen, lässt sich ihre kollektive Bewegung leicht verfolgen und liefert ein klares Signal zur Beobachtung der Schwingung. Mit der Zeit gerät jedoch jedes Pendel ganz leicht aus dem Takt. Die kollektive Bewegung scheint sich in Unordnung aufzulösen. Überraschenderweise kehrt das Muster jedoch schließlich zurück, wenn man weiter zusieht, da die Pendel wieder in Synchronität geraten.

Eine Farbkarte aus Histogrammen, die auf Tausenden von Messungen mit Atominterferometern basiert, zeigt ein kombiniertes Quantensignal, das im Verlauf des Experiments abklingt und wieder auftaucht – veranschaulicht durch Kompassnadeln, die zwei Gruppen magnetisch empfindlicher Atome darstellen, die mal im Gleichschritt und mal versetzt driften. In Präzisions-Quantensensoren werden durch den Vergleich der Signale verschiedener Atomgruppen Störsignale ausgeglichen, während die Drift zwischen ihnen genau die zu messende Größe transportiert. Wenn sich die Signale jedoch auseinanderbewegen, schwächt sich das kombinierte Signal ab – ein Moment, das üblicherweise als nicht aussagekräftig angesehen wird. Derr et al. zeigen, dass diese Abklingphase wertvolle Informationen enthält: Ihre Methode, PEAC, extrahiert die gemessene Größe direkt aus dem Abklingen und Wiederaufleben des Signals, reduziert damit systematische Fehler im Vergleich zu Standardansätzen und ebnet den Weg für eine hochpräzise Quantensensorik, einschließlich Quantenuhren der nächsten Generation.

Ein bemerkenswert ähnliches Phänomen tritt in Atominterferometern auf, einer der vielversprechendsten Technologien für zukünftige Quantensensoren. Hier beruhen Messungen auf der Beobachtung winziger Veränderungen in periodischen Quantensignalen, die kleine physikalische Effekte offenbaren. Da verschiedene Teile des Quantensystems allmählich aus dem Takt geraten, schwächt sich das periodische Interferenzsignal ab, bevor es später wieder auftaucht. Bislang wurde dieser vorübergehende Zusammenbruch des Signals weitgehend als Einschränkung für Präzisionsmessungen angesehen.

Forscher der TU Darmstadt haben diese scheinbare Schwäche nun in einen Vorteil verwandelt. Ihre in Science Advances Volume 12 | Issue 35 veröffentlichte Arbeit zeigt, dass der Zusammenbruch selbst wertvolle Informationen enthält. Anstatt diese abklingenden Messwerte zu verwerfen, entwickelte das Team eine neue Analysemethode, die sie nutzt, um physikalische Größen genauer und mit verringerter systematischer Verzerrung zu ermitteln.

„Parameter Estimation from Amplitude Collapse“ | PEAC

Der neue Ansatz, der als „Parameter Estimation from Amplitude Collapse“ (PEAC) bezeichnet wird, stützt sich nicht ausschließlich auf das Interferenzmuster. Er nutzt zusätzlich die Art und Weise, wie sich die Signalstärke verändert, wenn das Quantensystem aus der Phase gerät und später wieder in die Phase zurückkehrt, und deckt so Informationen auf, die herkömmliche Methoden weitgehend übersehen.

Die beigefügte Abbildung veranschaulicht diesen Vorgang auf einen Blick. Zunächst bilden die Messwerte zwei deutlich voneinander getrennte Bänder, was auf ein starkes Quantensignal hindeutet. Im Verlauf des Experiments rücken die Bänder näher zusammen, bis sie verschmelzen, als wäre das Signal fast verschwunden. Später trennen sie sich wieder, wenn das Signal zurückkehrt.

Dieser Zusammenbruch und das Wiederaufleben entstehen, weil die Atome in zwei unterschiedlichen magnetischen Zuständen vorbereitet werden. Da die beiden Zustände etwas unterschiedlich auf einen Magnetfeldgradienten reagieren, geraten sie allmählich aus dem Gleichlauf, bevor sie sich auf natürliche Weise wieder ausrichten. Allerdings bestehen die Quantenoszillationen die ganze Zeit über fort, und das Signal verschwindet nur scheinbar vorübergehend. Die neben den Daten dargestellten Kompassnadeln veranschaulichen diese sich verändernde Beziehung auf einfache Weise.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie an der TU Darmstadt, bei der Forscher der Gruppe „Atome–Photonen–Quanten“ | Prof. G. Birkl und der Gruppe „Theoretische Quantenoptik“ | Prof. E. Giese zusammenarbeiteten. Durch die Kombination von Präzisions-Atominterferometrie-Experimenten mit neuen statistischen Methoden zeigt das Team, dass der aussagekräftigste Teil einer Quantenmessung manchmal gerade dann vorliegt, wenn das Signal scheinbar verschwindet.

Atominterferometer sind hochpräzise Quantensensoren, die zur Messung von Schwerkraft und Rotation sowie für Experimente zur Grundlagenphysik eingesetzt werden. Durch den Vergleich zweier solcher Sensoren werden Störsignale ausgeglichen, und jede Abweichung zwischen ihnen ist genau das Signal, das die Forscher messen möchten. Der Haken dabei ist: Wenn die beiden Signale aus dem Takt geraten, schwankt die Stärke des kombinierten Signals, und dieses Schwanken wurde bisher meist als ein Bereich betrachtet, in dem kaum noch nützliche Informationen enthalten sind. Wir zeigen, dass diese Schwankungsphase tatsächlich reich an Informationen ist: Unsere neue Methode, PEAC, extrahiert die gemessene Größe direkt aus dem Verlauf des Signalanstiegs und -abfalls, und zwar mit geringeren systematischen Fehlern als Standardmethoden. Sie ist besonders nützlich, wenn das Signal fast vollständig verschwindet, wie es bei Experimenten zur Grundlagenphysik häufig der Fall ist.

Die Veröffentlichung

D. Derr, D. Pfeiffer, L. Lind, G. Birkl und E. Giese: „Parameter estimation from amplitude collapse in correlated matter-wave interference“, Science Advances 12, eaeg5334 (2026),
DOI: doi.org/10.1126/sciadv.aeg5334 (wird in neuem Tab geöffnet)