Maryland heute

Das UMD-Team ist eines von 18 landesweit, die bahnbrechende Messtechnologien vorantreiben

Von Robert Herschbach 22. August 2023

Eine Darstellung einer vorgeschlagenen Quantensensorplattform im Chip-Maßstab umfasst eine Darstellung der Erzeugung und Detektion von Quantenlicht.

Darstellung von Chad Smith

Die National Science Foundation (NSF) gab heute bekannt, dass sie einem UMD-geführten multiinstitutionellen Team, das daran arbeitet, Hindernisse für weitere Fortschritte bei Quantensensoren zu überwinden, die fortschrittlichere Fähigkeiten bieten als ihre traditionellen, einen dreijährigen Zuschuss in Höhe von 1 Million US-Dollar gewährt hat „klassische“ Gegenstücke.

Das Team ist eines von 18 Teams aus dem ganzen Land, die sich erfolgreich um Zuschüsse der NSF im Rahmen ihres Programms „Quantum Sensing Challenges for Transformational Advances in Quantum Systems“ beworben haben.

Fast ein Jahrhundert nachdem die Quantenmechanik die Entwicklung von Transistoren und Lasern ermöglichte, manipulieren Forscher nun Phänomene wie die Quantenverschränkung für Zwecke wie Computer, Sensorik und Messung – zusammenfassend als die zweite Quantenrevolution bezeichnet.

„Zur Quantenmechanik gehören Phänomene wie Überlagerung und ‚spukhafte Fernwirkung‘, bei denen ein Teilchen in New York mit einem in Los Angeles korrelieren könnte, und zwar auf eine Art und Weise, die die klassische Physik nicht erklären kann“, sagte UMD-Maschinenbau Assistenzprofessor Avik Dutt, der das Team leitet und gemeinsame Positionen in der Fakultät für Maschinenbau und dem Institut für Physikalische Wissenschaft und Technologie innehat. „Die Quantensensorik zielt darauf ab, diese ungewöhnlichen Eigenschaften zu nutzen, um Empfindlichkeit, Nachweisleistung und Auflösung zu verbessern.“

Die Vorteile gehen jedoch mit einer deutlich höheren Komplexität einher, was die Implementierung von Quantensensoren im großen Maßstab erschwert. Die 18 Teams werden eine breite Palette explorativer Forschungsaktivitäten durchführen, von der Messung der Höhe und Dichte von Bergen mit einer ultrapräzisen Atomuhr bis hin zur Aufdeckung der inneren Funktionen lebender Zellen mit quantenverschränkten Lichtteilchen, so die NSF.

„Eine neue Generation von Sensoren könnte es Ärzten eines Tages ermöglichen, Infektionen innerhalb einzelner Zellen zu lokalisieren, oder Geologen, unterirdische Mineralvorkommen zu finden, ohne eine Schaufel zu heben“, heißt es in einer neuen Pressemitteilung der Agentur.

Dutts Forschung wird durch ein Startkapital des National Quantum Laboratory in Maryland – bekannt als Q-Lab – unterstützt, einer Partnerschaft zwischen UMD und dem in College Park ansässigen IonQ, einem führenden Quantencomputer-Startup, das teilweise auf Forschung am UMD gegründet wurde.

Dutt und seine Kollegen werden sich auf noch ungelöste Herausforderungen konzentrieren. Seine Co-PIs sind Paul Lett, Mitglied des Joint Quantum Institute und außerordentlicher Professor für Physik, der am National Institute of Standards and Technology arbeitet, Jelena Vuckovic von der Stanford University und Peter Maurer von der University of Chicago.

Das Team wird versuchen, technische Hürden zu überwinden, unter anderem durch eine Technik namens „Squeezing Light“, bei der das von einem Laserstrahl erzeugte Rauschen – also zufällige Schwankungen – komprimiert wird. Das Ergebnis ist ein „leiser“ Strahl mit speziell zugeschnittener Rauschumverteilung, der für eine präzise Erfassung und Erkennung verwendet werden kann.

Dutt und seine Studenten werden zusammen mit den Teams von Lett und Vuckovic die erforderlichen Geräte und Systeme im FabLab des Maryland NanoCenter entwickeln. Maurers Team an der University of Chicago wird seine Innovationen auf die chemische und biomolekulare Detektion anwenden.

Forschung

Maschinenbau, Physik, Quantenwissenschaftsforschung

A. James Clark School of Engineering, Hochschule für Computer-, Mathematik- und Naturwissenschaften