EPR- und Bell-Korrelationen in BEC (CEBBEC)

Verschränkung ist eine Art Korrelation, die es nur in der Quantenmechanik gibt. Sie spielt die Hauptrolle in den meisten Quantentechnologien. Verschränkung führt zum Beispiel zur Verbesserung von interferometrischen Messungen, wo durch die Interferenz von zwei Wellen der Phaseunterschied zwischen diesen Wellen bestimmt wird. Werden diese Messungen mit verschränkten Photonen durchgeführt, wird die Phase genauer bestimmt . Diese Technologie wird zum Beispiel im LIGO Gravitationswellendetektor benutzt. Das Ziel vom CEBBEC Projekt ist die Erzeugung von Verschränkung zwischen zwei räumlich getrennten Systemen mit tausenden Atomen. Die verschränkten Atome sollen in Atom- Interferometern die Empfindlichkeit der Messung von Beschleunigungen erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten drei experimentelle Gruppen aus Deutschland, Frankreich und Österreich und zwei theoretische Gruppen aus Italien und Spanien zusammen. Die Experimente teilen das selbe Grundprinzip: Durch die Wechselwirkungen in dichten, ultrakalten Atomwolke werden Paare von verschränkten Atomen ausgesendet, entweder mit zwei verschiedenen Impulsen oder mit zwei verschiedenen Spins. Bei der Untersuchung von unterschiedlichen experimentellen Versuchsaufbauten werden wir bestimmen, welcher die robusteste Verschränkung bietet und am besten für interferometrische Messungen geeignet sein wird. Zusätzlich zur experimentellen Herausforderung bedarf es auch einer Methode zur Messung dieser Art von starker Verschränkung: In anderen Experimenten mit vielen verschränkten Atomen ist die Verschränkung auf alle Atome verteilt und wird verdünnt, die Verschränkung zwischen zwei Teilen ist dadurch niedrig. Die im CEBBEC Projekt erzeugte Verschränkung zwischen den zwei Teilen des Systems ist maximal, da jedes Atom viel stärker mit seinem Partner als mit den Atomen von anderen Paaren verschränkt ist. Durch die Zusammenarbeit von Experimenten und Theorie werden neue Konzepte entstehen, um solche Verschränkung besser zu verstehen und zu beschreiben.

Photonenpaare spielen eine wichtige Rolle in vielen grundlegenden Quantenexperimenten und in vielen Anwendungen in der Quantenkommunikation, Quantenmetrologie und allgemeinen Quanteninformationstechnologie. Im Wiener Teil von CEBBEC haben wir untersucht, wie man Paare von atomaren Materiewellen erzeugt. Photonenpaare werden in einem nichtlinearen Kristall erzeugt, wenn ein UV-Photon in zwei Infrarot-Photonen "umgewandelt" wird, unter strikter Energie und Impuls Erhaltung. Wir erzeugen unsere Atompaare aus einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC), das in einem transversal angeregten Quantenzustand in einer länglichen (eindimensionalen) Falle sitzt. Die Quantenstatistik der Bosonen bestimmt, dass die Atome nur dann in den Bewegungsgrundzustand zurückfallen können, wenn sie paarweise "nach unten fallen". Die Energie/Impuls-Konversation führte dazu, dass die Atome in dem Paar mit entgegengesetzten Impulsen emittiert wurden. Sie fliegen dann in dem eindimensionalen Potential wie in einem (Materie-) Wellenleiter. In unserem Experiment war die längliche (eindimensionale) Falle zwei parallele (Materie-) Wellenleiter (doule well), und die Atome fallen nach unten in eine Überlagerung der beiden (Materie-) Wellenleiter. Auch hier zwingt die Quantenstatistik die Atome dazu, in einen einzigen Bell-Zustand zu zerfallen. Dieser2-Teilchen Quantenzustand wurde durch Zwei-Teilchen-Interferenz verifiziert. Das heißt, jedes Atom zeigt individuell KEIN Interferenzmuster, aber in Paarkorrelationen beobachtet man eine gemeinsame "Zwei-Teilchen"-Interferenz. Die starken Wechselwirkungen der Atome und die Fähigkeit zur detaillierten Gestaltung von Potentialen auf dem Atomchip hat erhebliche Vorteile: Während für Photonen die Effizienz zur Erzeugung eines Zwillingsphotons äußerst gering ist (<10e-6), können wir bis zu 50% der Atome in BEC in Zwillingsatompaare umwandeln. Die Atome breiten sich dann in (Materie-) Wellenleiter aus, und alle erzeugten Paare können verwendet werden. In Zukunft werden wir unseren Aufbau verbessern, um Bell'sche Ungleichungen mit sich ausbreitenden Materiewellen untersuchen zu können, und die einfachen (Materie-) Wellenleiter auf integrierte Schaltkreise für verschränkte Materiewellen erweitern.