In unserer neuesten Publikation untersuchen Patrick Folge, Laura Serino und Ko-Autoren die fundamentalen Grenzen bei der Detektion von Frequenz und Ankunftszeit optischer Pulse. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Kollegen der Palacký University in Tschechien unter der Leitung von Zdeněk Hradil.
Üblicherweise wird angenommen, dass die gleichzeitige Messung von Frequenz und Ankunftszeit eines optischen Pulses einer Heisenberg-Unschärferelation unterliegt, die die fundamentalen Präzisionsgrenzen festlegt. Diese Annahme basiert jedoch auf der Voraussetzung eines unendlich langen Detektionsfensters – eine Bedingung, die in realen Experimenten nicht erfüllt ist.
In unserer Arbeit zeigen wir, dass sich das Problem unter der Annahme eines endlichen Messfensters auf die Beschreibung eines sogenannten Quantum Rotors abbilden lässt. Daraus ergeben sich neue fundamentale Grenzen für die erreichbare Messpräzision.
Wir beschreiben diese Grenzen jedoch nicht nur theoretisch, sondern präsentieren auch ein experimentelles Schema, mit dem sich diese maximale Präzision tatsächlich erreichen lässt. Dabei nutzen wir ein sogenanntes Quantum Pulse Gate, das es ermöglicht, einen Testpuls auf eine frei wählbare Pulsbasis zu projizieren. Durch eine geeignete Wahl dieser Basis kann das fundamentale Limit des Unschärfeprodukts von Frequenz und Ankunftszeit erreicht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es zunächst, ein besseres physikalisches Verständnis für bislang unzureichend verstandene Szenarien zu entwickeln und die zugrunde liegenden fundamentalen Grenzen aufzuzeigen. Gleichzeitig hat die kombinierte Detektion von Zeit und Frequenz zahlreiche praktische Anwendungen – von LIDAR-Systemen bis hin zur Informationskodierung in Quantencomputern. Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, auch die Grenzen solcher Anwendungen besser zu verstehen.
Diese Arbeit wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union (Grant No. 899587, STORMYTUNE) gefördert.
P. Folge, et al., Quantum-limited detection of the arrival time and the carrier frequency of time-dependent signals, Optica 13, 548 (2026); DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.579459
