Was ist Quantenmetrologie?
Quantenmetrologie bezeichnet die Wissenschaft der Messungen auf atomarer und subatomarer Ebene mit Hilfe quantenmechanischer Phänomene. Dabei werden Messungen mit extrem hoher Präzision durchgeführt, mit dem Ziel, fundamentale Konstanten des Universums zu bestimmen. Die Quantenmetrologie nutzt hierbei die Eigenschaften von Atomen und deren Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern.
Die Technologie ermöglicht es, Messungen bis zu einer Genauigkeit von 10 hoch -18 durchzuführen – das entspricht einem Milliardstel einer Milliardstel Einheit. Dadurch liefert die Quantenmetrologie einen wichtigen Beitrag in der metrologischen Forschung, die grundlegende Einheiten wie die Sekunde, das Meter und das Kilogramm definiert und eichfähig macht.
Anwendungen der Präzisionsmessungen auf atomarer Ebene
Durch die Präzisionsmessungen auf atomarer Ebene können fundamentale Konstanten und ihre Veränderungen genauer bestimmt werden. Dadurch können beispielsweise die Eigenschaften von Materialien und die Stabilität von Uhren und Satellitensystemen verbessert werden.
Die Quantenmetrologie ist auch von Interesse in der Wissenschaft, um genaue Messungen in der Astronomie durchzuführen. So kann man beispielsweise die Abstände von Sternen und Galaxien genauer bestimmen und damit unser Verständnis des Universums erweitern.
In der medizinischen Forschung kann die Quantenmetrologie dabei helfen, Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson zu diagnostizieren und Therapien zu entwickeln, indem man beispielsweise die Wechselwirkungen von Molekülen in Gehirnzellen untersucht.
Beispiel: Messung der Planck-Konstante
Ein wichtiges Beispiel für die Anwendung der Quantenmetrologie ist die Messung der Planck-Konstante, die die Quantenphysik beschreibt. Sie ist eine fundamentale Konstante und gibt an, wie viel Energie ein Photon hat.
Die Planck-Konstante konnte bisher nur auf Basis von experimentellen Ergebnissen bestimmt werden. Im Jahr 2018 gelang es Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA, die Planck-Konstante mithilfe von Quantenmetrologie noch genauer zu messen. Die Genauigkeit der Messung betrug dabei 6,4 x 10 hoch -9, was eine Verbesserung um den Faktor 3,5 gegenüber der bisher besten Messung darstellt.
Zukunftsaussichten für die Quantenmetrologie
Die Quantenmetrologie hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und gilt als eine der wichtigsten Technologien für die Zukunft.
Es wird erwartet, dass die zukünftige Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkommunikationstechnologien die Quantenmetrologie weiter vorantreiben wird. Durch die Kombination von Quantencomputern mit der Quantenmetrologie können höhere Genauigkeiten und schnellere Messungen erreicht werden.
Die Quantenmetrologie wird auch in der Erforschung von neuen Materialien und in der Entwicklung von umweltfreundlichen Technologien wie der Solarenergie eine Rolle spielen, indem man beispielsweise die thermodynamischen Eigenschaften von Materialien genauer bestimmt.
