ForschungProjektbereich B
Teilprojekt B01

Projekt B01: Verschränkte neutrale Atome für Interferometrie jenseits des Standard-Quanten-Limits

Im Rahmen dieses Projekts werden wir metrologisch nutzbare Verschränkungen mit Hilfe von Spin-abhängigen Wechselwirkungen in einem Bose-Einstein-Kondensat erzeugen, um das Standard-Quanten-Limit (SQL) zu überwinden. In einem neuen, speziell ausgerichteten Experimentaufbau werden mit Hilfe einer Detektion, die die Anzahl der Atome auf einzelne Teilchen genau bestimmen kann, Sensitivitäten jenseits des SQL demonstriert. Für Ensembles mit mehr als hundert Atomen liegen diese nahe am Heisenberg-Limit und für Ensembles mit bis zu 105 Atomen um mehr als 20 dB jenseits des SQL. Die erhöhte Sensitivität der erzeugten Zustände wird genutzt, um ein Magnetometer und eine Frequenzmessung jenseits des SQL zu implementieren.

EINFÜHRUNG

Atominterferometer zählen heute zu den präzisesten verfügbaren Sensoren. Sie sind fundamental limitiert durch das Standard-Quanten-Limit, wenn sie mit unkorrelierten Teilchen betrieben werden. Die Verwendung von verschränkten Teilchen kann diese Grenze überwinden, sodass die Empfindlichkeit nicht mehr durch das SQL, sondern durch das Heisenberg-Limit begrenzt wird. Durch die Spin-abhängigen Wechselwirkungen in Bose-Einstein-Kondensaten kann eine metrologisch nutzbare Verschränkung in atomaren Ensembles erzeugt werden.  

Im Projekt A02 wurde bereits gezeigt, dass die Verschränkung in Atominterferometern genutzt werden kann, um die Messgenauigkeit über das SQL hinaus zu erhöhen. Die erreichten Sensitivitäten wurden durch die begrenzte Auflösung bei rund 15 Atomen limitiert. Das Projekt B01 zielt nun darauf ab, die Erzeugung von verschränkten Vielteilchenzuständen mit einem einzelne Atome auflösenden Detektionsschema zu kombinieren, um eine Heisenberg-limitierte interferometrische Sensitivität zu demonstrieren.

ERGEBNISSE

Die Heisenberg-limitierte Atominterferometrie erfordert einen speziell ausgerichteten Experimentaufbau, der innerhalb der ersten Förderperiode aufgebaut wird. Wir haben bereits ein neues Detektionsschema mit Fluoreszenzdetektion in einer magneto-optischen Falle (MOT) implementiert, um eine Einzelteilchenauflösung zu erreichen. Im Gegensatz zur Absorptionsdetektion wird das Signal-Rausch-Verhältnis durch die lange Lebenszeit der MOT und das große Signal gestreuter Photonen stark verbessert.

Einzelteilchenauflösung. Das Histogramm zeigt die Häufigkeit der erfassten Atomzahl in wiederholten Zählversuchen

Ein neuer Versuchsaufbau, bestehend aus einer 3D-MOT, welche von einer 2D+-MOT geladen wird, ist bereits aufgebaut. Mit diesem Versuchsaufbau konnte eine der Hauptanforderungen, die einzelteilchenauflösende Detektion, bereits verwirklicht werden. Die obige Abbildung zeigt die momentane Auflösung. Auf der x-Achse wurde die Anzahl der gezählten Fluoreszenz-Photonen in eine Schätzung der gemessenen Atomzahl umgewandelt. Die y-Achse des Histogramms zeichnet die Häufigkeit der Ereignisse in wiederholten Zählversuchen auf. Das Histogramm zeigt deutlich, dass das Detektionssystem mit hoher Genauigkeit zwischen ganzzahligen Atomzahlen für bis zu 20 Atome unterscheidet.  

Extrapolation der Zweipunktvarianz und des Rauschmodells.

Die zweite Abbildung zeigt die Zweipunktvarianz für die in der ersten Abbildung dargestellten Daten. Das Rauschen der Streurate (in blau dargestellt) ist der dominante Rauschbeitrag. Mit Hilfe des Rauschmodells kann der Grenzwert der Einzelteilchenauflösung extrapoliert werden, welcher bei 390 Atomen erreicht wird (siehe oben).

Das einzelteilchenauflösende Detektionssystem ermöglicht es, die Anzahl der Atome in der MOT mit der Genauigkeit eines einzelnen Atoms zu stabilisieren, wie in der folgenden Abbildung (a) dargestellt. Durch den Einsatz eines kontrollierten Verlustmechanismus kann die anfängliche Anzahl der Atome reduziert werden, bis die Zielatomzahl erreicht ist. Ebenso kann die Anzahl der Atome in einer Magnetfalle durch kontrollierte RF-Verlustimpulse stabilisiert werden wie in Abbildung (b) gezeigt.

Stabilisierung der Atomzahl. (a) In einer MOT kann sie stabilisiert werden, indem das Rückpumperlicht für kurze Zeit ausgeschaltet wird, bis die Sollzahl an Atomen erreicht ist. (b) In einer Magnetfalle durch Verwenden von von RF-Verlustimpulsen

ZUKUNFT

Der nächste Schritt in Richtung Atominterferometrie ist die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten. Die benötigten Komponenten und Methoden werden vorbereitet und derzeit von uns in unseren Versuchsaufbau implementiert (siehe Abbildung 4). Die Spin-abhängigen Wechselwirkungen in einem Bose-Einstein-Kondensat erzeugen metrologisch nutzbare Verschränkungen. In Kombination mit unserem Detektionssystem, das die Anzahl der Atome auf einzelne Teilchen genau bestimmen kann, sind dies die Schlüsselfaktoren für eine Sensitivität jenseits des SQL. Unser neuer Versuchsaufbau wird genutzt, um ein Magnetometer und eine Frequenzmessung jenseits des SQL zu implementieren.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Kristensen, M. A.; Christensen, M. B.; Gajdacz, M.; Iglicki, M.; Pawłowski, K.; Klempt, C.; Sherson, J. F.; Rzążewski, K.; Hilliard, A. J.; Arlt, J. J. (2019) Observation of Atom Number Fluctuations in a Bose-Einstein CondensatePhys. Rev. Lett. 122, 163601
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.163601
  • Kristensen M., Gajdacz M., Pedersen P., Klempt C., Sherson J.F., Arlt J.J., Hilliard A.J. (2017) Sub-atom shot noise Faraday imaging of ultracold atom cloudsJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 50 034004
    DOI: 10.1088/1361-6455/50/3/034004
  • Gajdacz M., Hilliard A.J., Kristensen M.A., Pedersen P.L., Klempt C., Arlt J.J., Sherson J.F. (2016) Preparation of ultracold atom clouds at the shot noise levelPhys. Rev. Lett. 117, 073604
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.073604
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PROJEKTLEITER

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MITARBEITERINNEN UND MITARBEITER

Dr. Jiao Geng
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Mareike Hetzel
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Cebrail Pür
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