Regelung von Quantenzuständen für levitierte Teilchen

Über das vergangene Jahrzehnt hat die Entwicklung optomechanischer Plattformen derartige Fortschritte gemacht, dass sich Quanteneffekte inzwischen an Objekten im Bereich einiger Nano- bis Mikrometer zu manifestieren beginnen. Insbesondere Systeme auf Basis optischer Levitation mittels Laser bieten eine überlegene Isolierung der Nanopartikel von ihrer Umgebung während sie gleichzeitig von der Flexibilität rein optischer Manipulation profitieren. Diese Experimente kombinieren etablierte Methoden aus der Optomechanik mit Strategien aus der Atomphysik, der Materiewelleninterferometrie und der Regelungstheorie, um Quantenphysik in makroskopischen Größenordnungen zu erforschen. Zusammen mit ihrer unübertroffenen Empfindlichkeit haben levitierte Nanopartikel eine Vielzahl von möglichen Anwendungsgebieten, welche von der Erforschung dunkler Materie und Abweichungen zur newtonschen Gravitation bis hin zu kommerziellen Sensoranwendungen reichen. In diesem Forschungsprojekt wollen wir mithilfe von Methoden der Regelungstheorie echtzeitfähige Algorithmen entwickeln, um bewegte Quantenzustände eines im Vakuum schwebenden Partikels zu erzeugen. Dazu nutzen wir die Information vom Partikel gestreuter Photonen des Lasers um den aktuellen Bewegungszustand des Partikels zu schätzen. Diese Zustandsschätzung erlaubt uns gezielt Energie aus dem Teilchen zu extrahieren und damit die Bewegung des Massenschwerpunkts zu kühlen. Durch Kombination von Heisenberg- limitierten Messungen mit stochastischen Regelungskonzepten erlaubt die Kühlung des Partikels in den quantenmechanischen Grundzustand, also den Zustand mit der geringstmöglichen Energie. Die schnelle und präzise elektro-optische Manipulation der Laserleistung öffnet die Tür zu quantenmechanischen Bewegungszuständen wie beispielsweise gequetschten Zuständen, welche wir durch optimierungsbasierte Regelungsmethoden in bestehende Kühlalgorithmen integrieren wollen. Die Verwendung derartiger Algorithmen in Echtzeit benötigt weiters maßgefertigte Hardware zur Signalverarbeitung, welche im Rahmen dieses Forschungsprojekts entwickelt wird. Die resultierenden gequetschten Zustände ermöglichen es, bestehende Limitierungen der Messgenauigkeit zufolge der Quantenmechanik zu umgehen. Durch ihre kohärente Expansion des Quantenzustands sind sie weiters ein essentielles Werkzeug zur Erzeugung von Überlagerungszuständen, also Zuständen in welchen das Partikel an mehreren Positionen gleichzeitig existiert. Wege und Möglichkeiten derartige Zustände experimentell für makroskopische Partikel zu erzeugen ist eines der großen physikalischen Forschungsziele und die in diesem Projekt entwickelten Methoden und Geräte werden einen wesentlichen Beitrag dazu leisten.