Makroskopische Quantenkohärenz: Detektion und Quantifizierun

Der Unterschied zwischen Systemen klassischer und quantenmechanischer Natur lässt sich oft auf das Konzept Quantenkohärenz herunterbrechen. Die Tatsache, dass ein Teilchen (selbst ein massives), z.B. ein Elektron, in einem Quantensuperpositionszustand, z.B. von zwei Unterschiedlichen Rotationszuständen, sein kann ist von einem intuitivem Standpunkt aus die Charakteristische Eigenschaft der Quantenmechanik. Im Vielteilchenszenario ergibt sich daraus ein kontra-intuitives Phänomen, welches Schrödinger im Jahr 1935 Verschränkung getauft hat, und welches im Kontrast zu klassischen Prinzipien steht. Erstaunlicherweise konnte dies experimentell als physikalisches Faktum bestätigt werden und hat überraschenderweise zu einem breiten Spektrum von technologischen Fortschritten geführt. Daraus ergibt sich die Frage: Wie kann man Quantenkohärenz ordentlich als Ressource für unterschiedliche technologische Aufgaben quantifizieren? Und wie stehen Ressourcen unterschiedlicher Aufgaben zueinander? Zur gleichen Zeit geht die anfängliche Debatte über das Fundament der Quantentheorie, welche zurück zu den Gründern der Theorie geht, weiter: Wo ist die Grenze zwischen der mikroskopischen Welt, welche den Gesetzen der Quantentheorie unterliegt, und der klassischen makroskopischen Welt? Obwohl es gegen unsere Intuition geht, gibt es weder einen fundamentalen Grund noch einen experimentellen Beweis dafür dass Quantenmechanik nicht auch auf makroskopischer Ebene gültig sein sollte. Nichtsdestotrotz wurden Modifikationen der Quantenmechanik (Kollapsmodelle) vorgeschlagen, welche zu erklären versuchen warum Quantenkohärenz nicht auch in großen und massiven Objekten zu sehen ist, die immer noch auf einen experimentellen Test warten. Dementsprechend ist es sowohl für fundamentale als auch für praktische Zwecke wichtig zu verstehen bis zu welchem Grad Quantenkohärenz auch auf immer größeren Skalen nachgewiesen werden kann. Idealerweise geht dieses Projekt in Richtung der Beantwortung dieser Fragen. Der hauptsächliche Fokus aber ist auf ein sehr konkretes System gerichtet: Ensembles von Atomen die mit Licht wechselwirken, über die die Forschungsgemeinschaft der Quantenphysik bereits einen sehr hohen Grad an Kontrolle und Verständnis erreicht hat. Die Resultate dieses Projects sollten wichtige Einsichten in die mögliche Präsenz und Natur von Quantenkohärenz auf makroskopischen Skalen geben und auch eine ordentliche Quantifizierung ihrer Anwesenheit in unterschiedlichen Szenarien geben. Von einem Angewandten Standpunkt aus wird das zu wichtigen theoretischen Bindegliedern zwischen einer ressourcengeleiten Sicht auf Quantenkohärenz und einer fundamentaleren Perspektive führen.

Der Begriff der Verschränkung ist laut Erwin Schrödinger das charakteristische Merkmal der Quantenmechanik, das sie radikal von der klassischen Physik unterscheidet und unsere Vorstellung von Realität zumindest im mikroskopischen Maßstab herausfordert. Aufgrund dieses Phänomens können Korrelationen zwischen entfernten Teilchen vorhanden sein, so dass sie sich scheinbar sogar in der Ferne gegenseitig beeinflussen. Auch wenn dieser Einfluss nur illusorisch ist, haben sich diese stärker als klassische Korrelationen als sehr nützlich für die Informationsübertragung und -verarbeitung erwiesen. Heutzutage können in vielen Systemen verschränkte Zustände routinemäßig erzeugt werden, was eine bevorstehende technologische ``Quanten''-Revolution verspricht. Gleichzeitig werden in immer größeren Objekten verschränkte Quantenzustände erzeugt, die unsere klassische Intuition selbst in unserer alltäglichen makroskopischen Welt herausfordern. In ähnlicher Weise wurden vor kurzem auch Zeitliche Korrelationen wurden kürzlich unter dem Gesichtspunkt der Beobachtung von Quanteneffekten auf makroskopischen Skalen untersucht. In diesem Fall, dh in einer Messsequenz, können Quanteneffekte jedoch immer durch einen ``Störungseffekt'' nachgeahmt werden, der eine gewisse Speicherkapazität beansprucht. Im vorliegenden Projekt haben wir diese beiden Konzepte von Quantenkorrelationen im Detail untersucht, mit besonderem Fokus auf Gase bei sehr tiefen Temperaturen oder Bose-Einstein-Kondensaten, die solche realen Quanteneffekte im makroskopischen Maßstab zeigen können. Insbesondere haben wir uns auf das sogenannte Spin-Squeezing konzentriert. Dies sind spezielle Verschränkungszustände vieler Atome, die neuerdings in hochpräzisen Messungen wie Magnetometrie, Atomuhren oder Gravitationswellendetektion verwendet werden. Wir haben Methoden abgeleitet, um den Grad der Verschränkung in solchen Spin-Squeezed-Zuständen zu quantifizieren und haben mit Experimenten zusammengearbeitet, um unsere Ergebnisse im Labor umzusetzen. Wir haben dazu beigetragen, den Unterschied zwischen klassischen und Quantenkorrelationen in Raum und Zeit zu klären. Diese können allgemein als Manifestationen der Quantenkohärenz bezeichnet werden, die sich beispielsweise darin ausdrücken, dass sich ein Teilchen gleichzeitig in einer Überlagerung zweier verschiedener Zustände befindet (z. B. zwei verschiedene Positionen oder zwei verschiedene Geschwindigkeiten). Darüber hinaus untersuchten wir zeitliche Quantenkorrelationen als Ressource, quantifiziert durch den Speicherbedarf für ihre Simulation, und stellten fest, dass eine solche Ressource bei der Zeitmessung, also beim Design von Uhren, eine fundamentale Rolle spielt. Schließlich untersuchten wir die Rolle von Quantenkorrelationen bei thermodynamischen Aufgaben wie Wärmekraftmaschinen oder Kühlschränken, also Systemen, die die Energie aus Thermalbädern nutzen, um nützliche Arbeit zu leisten. Zum einen haben wir untersucht, wie viel Energie investiert werden muss, um Zusammenhänge herzustellen. Andererseits haben wir untersucht, welche Ressourcen für bestimmte thermodynamische Aufgaben, insbesondere für die Kühlung, benötigt werden, um zu verstehen, ob Quanteneffekte eine wichtige Rolle spielen könnten oder ob es sich nur um Störeffekte handelt. Darüber hinaus haben wir theoretisch einen Bauplan für eine reale thermische Maschine untersucht, die ein Bose-Einstein-Kondensat als Arbeitsmedium nutzt, also in einem realen Quantenregime arbeitet, mit der Idee, diesen Vorschlag in naher Zukunft in einem praktischen Experiment umzusetzen.