Kollektive Quantendynamik von Multiniveau-Atomen im Hohlraum

Quanteneigenschaften wie diskrete Energiezustände von Atomen, Überlagerungen dieser Zustände und die Verschränkung mehrerer Teilchen bilden die Grundlage für neue Quantentechnologien. Ein besonders relevantes Beispiel für eine solche Technologie ist die Atomuhr, das genaueste Messinstrument das je von Menschen entwickelt wurde. Sie nutzt zwei Zustände in einem Atom, deren Energien und damit auch Frequenzen sehr genau bekannt sind. Ein Laser versucht nun, diese Zustände zu überlagern. Das funktioniert aber nur, wenn die Frequenz des Lasers genau mit der des Atoms übereinstimmt, so dass die Laserfrequenz auf die des Atoms kalibriert werden kann. Mit einer stabilen Frequenzreferenz wiederum hat man automatisch auch eine genaue Zeitmessung, was für viele Anwendungen wie z.B. das GPS relevant ist. Die Genauigkeit einer solchen Atomuhr kann noch deutlich verbessert werden, indem man mehrere Atome miteinander verschränkt, das heißt, sie befinden sich in einem kollektiven Zustand, der nicht durch die Zustände der einzelnen Atome beschrieben werden kann. Solche verschränkten Zustände zu erzeugen, ist jedoch im Allgemeinen eine schwierige Aufgabe. Eine Möglichkeit besteht darin, die Atome zwischen zwei Spiegeln zu platzieren. Dadurch werden die von den Atomen ausgesandten Lichtteilchen (Photonen) an den Spiegeln mehrfach reflektiert und wirken so auf die Atome zurück. Auf diese Weise können sogenannte gequetschte und subradiante verschränkte Zustände erzeugt werden. In diesem Projekt entwickeln wir in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren neue, verbesserte Protokolle, um solche verschränkten Zustände zu erzeugen. Dazu untersuchen wir Methoden, die mehrere atomare Energiezustände verwenden. Dies macht die theoretische Beschreibung zwar komplizierter, eröffnet aber neue Möglichkeiten. Mit der erfolgreichen Umsetzung des Projekts werden neue quantenbasierte Messmethoden und - technologien mit Hilfe von Multi-Niveau-Atomen zwischen Spiegeln entwickelt. Diese ermöglichen unter anderem eine genauere Messung grundlegender physikalischer Phänomene, haben aber auch praktische Anwendungen wie die Zeitmessung.