Gravitationsbedingte Phasenschübe bei Einzelphotonen

Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzession experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf sehr kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Dieses Projekt versucht die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie durch hochpräzise Experimente auf dem Niveau von Einzelphotonen zu erforschen. Diese Lichtquanten erlauben es, den Einfluss von Gravitation auf Interferenzeffekte zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird ein hochpräzises Interferometer, dessen Arme unterschiedlichen Gravitationspotentialen ausgesetzt sind, verwendet. Damit das Prinzip der Masse-Energie-Äquivalenz seine Richtigkeit beibehält, muss die Energie des Photons seine schwere Masse bereitstellen was durch einen relativen Phasenschub zwischen den beiden Armen des Interferometers detektiert werden kann. Experimente dieser Art können die Masse-Energie-Äquivalenz Hypothese der Relativitätstheorie für schwere Masse auf ihre Richtigkeit überprüfen. Die wichtigen Erkenntnisse dieses Experimentes erlauben die Planung und Entwicklung von noch sensitiveren Interferometern. Diese können zum direkten experimentellen Nachweis einer Wechselwirkung zwischen der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie in Laborexperimenten verwendet werden. Laut allgemeiner Relativitätstheorie vergeht die Zeit an zwei verschieden hoch gelegen Punkten innerhalb des Gravitationsfeldes der Erde unterschiedlich schnell. Ist dieser Zeitunterschied vergleichbar mit der ,,Länge des Photons im Interferometer, so kann zusätzlich zum relativen Phasenschub zwischen seinen beiden Armen ein Verlust des Interferenzkontrastes beobachtet werden.

Das Projekt "Gravitationsbedingte Phasenschübe bei Einzelphotonen" war äußert erfolgreich mit der Schaffung einer experimentellen Forschung an der interdisziplinären Schnittstelle zwischen Quantenphysik und Gravitation. Das Ziel dieses Projektes war die Wegbereitung und Durchführung von Präzisionsmessungen im Labor bei denen der Einfluss der Gravitation auf Quantenlicht, und insbesondere auf einzelnen Lichtteilchen, gemessen wird. Um dies zu ermöglichen wurden Methoden für die Stabilisierung eines optischen Interferometers entwickelt, dessen Armlängen durch 100km lange optische Glasfasern gegeben sind. Ebenso wurde der Einfluss von unterschiedlichen Störungsfaktoren untersucht, und für die jeweilige Ursache von Rauschen passende Isolationskonzepte entwickelt. Im Zuge dieses FWF-Projektes waren die gewonnen Erkenntnisse für die Stabilisierung von Interferometern und das Prozessieren von einzelnen Photonen ebenfalls hilfreich für die Umsetzung anderer Quantenexperimente. Unter anderem konnte die Robustheit gegenüber Rauschen innerhalb unterschiedlicher interferometrischer Quantennetzwerkstrukturen für die Quantenkommunikation untersucht und verglichen werden. Ein weiteres Experiment profitierte von der Implementierung von in Fasern integrierten Schaltern für Quantenlicht, die für eine Vielzahl von Quantentechnologieanwendungen von Nutzen sind. Die Resultate dieses Projektes haben maßgeblich zu neuer Quantentechnologie für optische Präzisionsmessungen beigetragen, sowie den Grundstein gelegt für grundlegende Experimente mit dem Ziel neue Erkenntnis für das Zusammenspiel von Gravitation und Quantenphysik zu gewinnen.