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Teilprojekt A02

Projekt A02: Nicht-Gauß’sche atomare Zustände für Tests der Quantenmechanik

Vielteilchen-verschränkte Zustände sind eine wertvolle Ressource, um fundamentale Eigenschaften der Natur experimentell zu überprüfen. In diesem Projekt werden solche hochgradig nicht-klassischen Zustände mit Hilfe von Spin-ändernden Stößen in Bose-Einstein-Kondensaten erzeugt und für fundamentale Tests verwendet. Ein Hauptziel ist ein Bell-Test mit neutralen Atomen, der die Möglichkeit bietet, die Quantenmechanik mit Vielteilchenzuständen und unter dem Einfluss der umgebenden Gravitation zu überprüfen. Im Verlauf des Projekts werden wir die Anzahl der miteinander verschränkten Teilchen immer weiter erhöhen, um den Übergang zum klassischen Regime mit den erzeugten hochverschränkten Zuständen zu erkunden.

EINFÜHRUNG

Bei ultrakalten Temperaturen können neutrale Atome ein sogenanntes Bose-Einstein Kondensat (BEC) bilden. Solche Kondensate können mit hoher Genauigkeit manipuliert werden und finden ihre Anwendung als Kernstück hochpräziser Sensoren sowie für die Untersuchung fundamentaler physikalischer Effekte. In einer Dipolfalle, die durch einen rot-verstimmten Laser erzeugt wird, können Atome mit beliebiger Spin-Ausrichtung gefangen werden. Somit gewinnen die Kondensate einen weiteren Freiheitsgrad und man spricht von Spinor-Kondensaten.

Im Projekt A02 werden spin-ändernde Stöße in einem solchen Spinor-Kondensat genutzt, um Verschränkung zwischen den Atomen zu erzeugen. Es können unterschiedlichste verschränkte Zustände präpariert werden. Im Falle von spin-gequetschten Zuständen verringert die Verschränkung das Quantenrauschen: Die Varianz einer gemessenen Spinverteilung kann unterhalb des klassischen Schrotrauschens liegen. Hochverschränkte Zustände jedoch zeigen nicht-Gauß’sche Verteilungen und sind im allgemeinen aufwändiger zu charakterisieren. Wir erforschen die Erzeugung und Anwendung dieser komplexen atomaren Zustände.

ERGEBNISSE

An unserem Experiment haben wir Verschränkung zwischen zwei räumlich getrennten Wolken erzeugt. Dazu präparierten wir einen Twin-Fock-Zustand in der ersten angeregten Mode der Dipolfalle . Diese Mode teilt sich auf natürliche Weise in zwei räumlich getrennte Wolken. Wir haben ein Kriterium entwickelt um die Verschränkung zwischen den beiden Wolken zu beschreiben und sie experimentell nachgewiesen. Da die Wolken individuell adressiert werden könnten, eröffnen unsere Experimente einen Weg, die verfügbaren hochverschränkten Zustände ununterscheidbarer Teilchen für Quanteninformationsanwendungen zu nutzen.

Veranschaulichung der Verschränkung zwischen den räumlich getrennten Wolken

Wenn sich die Randbedingungen des Quantenvakuums mit der Zeit ändern, sagt die Quantenfeldtheorie voraus, dass reale, beobachtbare Teilchen die anfänglich leeren Moden besetzen können. Dieser Prozess wird dynamischen Casimir-Effekt genannt. An unserem Experiment konnten wir diesen Effekt realisieren, indem wir die Randbedingungen unseres Spinor BECs, das externe homogene Magnetfeld, periodisch änderten. Wir konnten beobachten das zunächst unbesetzte Raum- und Spin-Moden mit verschränkten Atompaaren besetzt wurde.

Darüber hinaus konnten wir die Anwendung  von spin-gequetschten Zuständen in einer Atomuhr demonstrieren , Kriterien für die Charakterisierung der Vielteilchenverschränkung  in unseren Zuständen entwickeln  und zeigen, dass  Spin-ändernden Stöße auch geeignet sind den Einfluss von technischem Rauschen in der Detektion der Atome zu verringern.

ZUKUNFT

Wir planen die Anwendung von verschränkten Zuständen in einem Inertialsensor. Dazu werden in Zusammenarbeit mit Projekt B07 verschiedene Interferometriekonzepte getestet in denen die Verschränkung zwischen den Spin-Zuständen auf Impulszustände zu übertragen wird.  

Ein weiteres Ziel unserer Forschung ist die Erzeugung von makroskopischen Superpositionszuständen, sogenannten Schrödinger-Katzen-Zuständen. Diese und andere hochgradig nicht-klassische Zustände können helfen, fundamentale Tests der Quantenmechanik durchzuführen und Messprotokolle zu verwirklichen, die mit klassischen Methoden nicht realisierbar wären.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Anders F., Pezzè L., Smerzi A., Klempt C. (2018) Phase magnification by two-axis counter-twisting for detection noise robust interferometry
    DOI: 10.1103/PhysRevA.97.043813
  • Feldmann P., Gessner M., Gabbrielli M., Klempt C., Santos L., Pezzè L., Smerzi A. (2018) Interferometric sensitivity and entanglement by scanning through quantum phase transitions in spinor Bose-Einstein condensatesPhys. Rev. A 97, 032339
    DOI: 10.1103/PhysRevA.97.032339
  • K. Lange, J. Peise, B. Lücke, T. Gruber, A. Sala, A. Polls, W. Ertmer, B. Juliá-Díaz, L. Santos, C. Klempt (2018) Creation of entangled atomic states by an analogue of the Dynamical Casimir EffectNew J. Phys. 20 103017 (2018) Weitere Informationen
    DOI: 10.1088/1367-2630/aae116
    arXiv: 1805.02560
  • Lange K., Peise J., Lücke B., Kruse I., Vitagliano G., Apellaniz I., Kleinmann M., Toth G., Klempt C. (2018) Entanglement between two spatially separated atomic modesScience 360, 416–418
    DOI: 10.1126/science.aao2035
  • Deuretzbacher, F.; Becker, D.; Bjerlin, J.; Reimann, S. M.; Santos, L. (2017) Spin-chain model for strongly interacting one-dimensional Bose-Fermi mixturesPhys. Rev. A 95, 043630
    DOI: 10.1103/PhysRevA.95.043630
  • Vitagliano G., Apellaniz I., Kleinmann M., Lücke B., Klempt C., Tòth G. (2017) Entanglement and extreme spin squeezing of unpolarized statesNew J. Phys. 19 , 013027 (2017).
    DOI: 10.1088/1367-2630/19/1/013027
  • Kruse, I.; Lange, K.; Peise, J.; Luecke, B.; Pezze, L.; Arlt, J.; Ertmer, W.; Lisdat, C.; Santos, L.; Smerzi, A.; Klempt, C. (2016) Improvement of an Atomic Clock using Squeezed VacuumPhys. Rev. Lett. 117, 143004
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.143004
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PROJEKTLEITER

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Fabian Anders
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