Frei-Fall Interferometer für Verschränkung durch Gravitation

Gravitationsphänomene, an denen große Objekte wie die Erde beteiligt sind, sind allgegenwärtig, wie der umlaufende Mond oder der fallende Apfel. Quantenphänomene hingegen werden in der Regel in Systemen aus kleinen Teilchen beobachtet, wie z. B. die Quanteninterferenz einzelner Atome. Diese Effekte sind nicht so offensichtlich, werden aber routinemäßig im Labor untersucht und in einer Vielzahl von technischen Instrumenten verwendet. Die Schwerkraft und die Quantenwelt liegen an den entgegengesetzten Enden des Massenspektrums. Das Zusammenspiel von Schwerkraft und Quantensystemen ist nach wie vor eine große Lücke in unserem Verständnis der fundamentalen Physik. Experimentell gesehen, ist es Neuland. Da sich die Schwerkraft ganz anders verhält als z. B. elektromagnetische Wechselwirkungen, könnten auf der Quantenebene Überraschungen auf uns warten. Auf der theoretischen Seite, hast sich das Finden einer zufriedenstellenden Quantentheorie der Schwerkraft als sehr schwierig herausgestellt, und es werden dringend Beobachtungsdaten benötigt, um herauszufinden, wie eine solche Theorie auszusehen hat. Die experimentelle Herausforderung bei der Erforschung der Schwerkraft im Quantenbereich besteht darin, Objekte mit größeren Massen und stärkerer Gravitationswechselwirkung in den Quantenbereich zu bringen. Insbesondere müssen massive Objekte in räumlich ausgedehnte Quantenzustände versetzt werden. In einem solchen delokalisierten Zustand nimmt das Teilchen gleichzeitig mehrere Trajektorien oder Regionen des Raumes wahr. Während dies für Teilchen mit geringer Masse einfach ist, sind neue Techniken erforderlich, um die Delokalisierung von massiveren Objekten zu vergrößern. Hat man dann ein Teilchen mit ausreichender Masse und Delokalisierung, kann man untersuchen ob sich auch das erzeugte Gravitationsfeld, ähnlich wie bei anderen Quantenwechselwirkungen, in einem Quantenzustand befindet. In diesem Projekt wird ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung von Quantenzuständen makroskopischer Objekte untersucht. Anstatt wie üblich Kräfte einzusetzen, um die makroskopischen Teilchen an Ort und Stelle zu halten, lassen wir sie frei fallen und ohne störende Wechselwirkungen delokalisieren. Stellt sich dieser Ansatz als erfolgreich heraus, wäre es ein wichtiger Schritt um in der Zukunft die Quantennatur der Gravitation auf die Probe zu stellen.