Mit Quantentechnologie zu rauscharmen Mikrofonen

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Experimenteller Aufbau des Lasermikrofons. Foto: Universität Stuttgart / PI3, Fl

Experimenteller Aufbau des Lasermikrofons. Foto: Universität Stuttgart / PI3, Florian Kaiser

Einsatz von Quantenlicht führt zu signifikanter Verbesserung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses


Ob Onlinekonferenz oder Hörgerät: Ein hoher Rauschpegel in den verwendeten Mikrofonen oder Hintergrundlärm stören jede Unterhaltung, und bessere Mikrofone sind dringend gefragt. Forschende der Universität Stuttgart haben nun ein Quantenmikrofon entwickelt, das die Rauschunterdrückung in neue Dimensionen verschiebt. Getestet wurde es am Stuttgarter Olgahospital - mit vielversprechenden Ergebnissen.

Bei der Weiterentwicklung kommerziell erhältlicher Mikrofone steht bisher vor allem die Unterdrückung technischer Rauschquellen im Fokus, so zum Beispiel die Signalverstärkungselektronik. Florian Kaiser am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ging nun einen Schritt weiter und untersuchte die fundamentale Grenze, bis zu welcher sich das Rauschen unterdrücken lässt. Sie konnte zeigen, dass sich diese Grenzen durch den Einsatz von Quantentechnologien verschieben lassen. Dazu entwickelte die Gruppe zunächst ein Lasermikrofon, wie es ähnlich zur Überwachung von industriellen Maschinen und in der Spionage eingesetzt wird. Wie zu erwarten, war dieses klassische Lasermikrofon in seiner Leistungs-fähigkeit jedoch durch ein elektrisches Rauschen im Messprozess begrenzt. Im nächsten Schritt wurde das Laserlicht durch speziell angepasstes Quantenlicht ersetzt, womit sich das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis direkt um 0,57 Dezibel verbessern ließ. Dies scheint auf den ersten Blick nicht viel. In Umgebungen, in denen schlechte Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse vorliegen, zum Beispiel in der Kommunikation zwischen Fluglotsen und Piloten, ist dies jedoch eine signifikante Verbesserung.

Für die Messung führten die Forschenden in Zusammenarbeit mit dem Stuttgarter OIgahospital an 45 Patienten einen medizinisch anerkannten Satzerkennungstest durch. Ziel war es, den minimal erforderlichen Lautstärkepegel zu bestimmen, ab dem die Patienten 50 Prozent der Worte korrekt verstanden. Dabei stellte sich heraus, dass über 71 Prozent der Patienten den Vorteil des Quantenmikrofons direkt hören konnten.

,,Diese Ergebnisse basieren im Wesentlichen auf unserer hohen Erzeugungsrate verschränkter Photonen sowie der nachfolgenden Umwandlung der Mehrphotonen-Quantenzustände in Einzelphotonen-Zustände", sagt Projektleiter Dr. Florian Kaiser vom 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. ,,Die damit einhergehende Steigerung der Messraten um einen Faktor 10 000 gegenüber vorherigen Ansätzen ermöglichte es uns, die Messraten bis auf 100 kHz zu steigern, womit wir bequem das Audioband abdecken konnten (20 Hz - 20 kHz). Außerdem können wir durch die Umwandlung der Quantenzustände nun die gleichen kostengünstigen Detektoren benutzen, welche wir auch für das klassische Lasermikrofon verwenden. Aus kommerzieller Sicht ist das natürlich hochinteressant.".

Doktorand Raphael Nold ergänzt: ,,Unsere Herangehensweise ist nicht nur auf das Quantenmikrofon beschränkt. Wir sehen auch sehr großes Potenzial für unsere Technologie bei bildgebenden Untersuchungen an lichtempfindlichen Bioproben. In unserer aktuellen Arbeit zeigen wir schon klar auf, dass eine wettbewerbsfähige Quanten-Bildgebung mit kommerziell erhältlichen Verbesserungen möglich ist." Dr. María T. Pérez Zaballos, die die Erfahrung ihrer Doktorarbeit an der Universität in Las Palmas / Spanien (Gutachter Florian Kaiser) in die Forschung einbrachte, fügt hinzu: ,,Psychoakustische Experimente mit Fluglotsen sowie schwerhörigen Menschen waren das Thema meiner Doktorarbeit. Für mich gibt diese interdisziplinäre Forschungsarbeit einen Ausblick auf die medizinisch-technischen Innovationen, welche wir in 50 Jahren genießen werden."

Ziel: System auf einem photonischen Chip integrieren

Auch wenn die Kommerzialisierung des Ansatzes aufgrund des hohen Energieverbrauchs zur Erzeugung des Quantenlichts noch in weiter Ferne liegt, ist die Umwandlung der Quantenzustände vor der Detektion sicherlich richtungsweisend für zukünftige Forschungen. ,,In den nächsten Schritten wird es darum gehen, die erstaunlichen Entwicklungen in der integrierten Quantenphotonik mitzunehmen und das ganze System auf einem photonischen Chip zu integrieren.", so Dr. Florian Kaiser. ,,Mit solchen kompakten Systemen ermöglicht sich dann eine ganze Reihe weiterer Anwendungen von der Grundlagenforschung, über die Bio-Bildgebung, bis hin zu publikumswirksamen Ausstellungsund Mitmachexperimenten."


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