Quanten Verschränkung, Dephasierungs- und Dekohärenz-Effekte in Neutronenexperimenten

Quantenkohärenz und Verschränkung gehören zu den fundamentalen Eigenschaften von Quantensystemen und zählen zu den interessantesten Aspekten der Quantenmechanik (QM), die derzeit studiert werden. Sie bilden die Grundlage für die neuen und aufstrebenden Gebiete der Quanteninformation und des Quantencomputings. Das tiefere Verständnis der Quantenphysik, insbesondere der beiden Teilbereiche der Verschränkung und der Dekohärenz, ist das Hauptziel des vorliegenden Projekts. Das primäre physikalische Interesse bezieht sich auf Neutronen, die in interferometrischen und polarimetrischen Experimenten untersucht werden. Das Studium der qm Eigenschaften von massiven Systemen - im Gegensatz zu Photonen - ist attraktiv und voller Herausforderungen. Neutronen sind geeignete Objekte, um das qm Verhalten von Spin-1/2 Teilchen zu untersuchen: Sie erlauben eine relativ einfache experimentelle Kontrolle und der Neutronenspin ist das einfachste Zwei-Zustands-System, das geeignet durch magnetische Felder manipuliert werden kann. Wie man in der Vergangenheit immer wieder gesehen hat, wurden viele Quantenphänomene zuerst mit Neutronen und erst später in anderen System beobachtet. In Kombination mit interferometrischen Messungen bietet das System der Neutronen genügend Reichhaltigkeit um interessante Eigenschaften, wie z.B. Verschränkung, zu zeigen. Die Kopplung der Neutronen an ein externes magnetisches Feld erlaubt selektive Spin-Manipulationen des Quantenzustandes. Dies kann verwendet werden, einerseits um Verschränkung zu erzeugen, wobei die Verschränkung zwischen verschiedenen Freiheitsgraden (z. B. Spin und Weg) auftritt, und andererseits um eine Dephasierung bzw. Dekohärenz durch variierende Magnetfelder einzuführen. Beide Aspekte der QM, die sich im Neutroneninterferometer offenbaren, sind von großer Wichtigkeit und werden im im Verlauf der Arbeit am vorliegenden Projekt detailliert behandelt. Die Resultate des Forschungsprojekts sind von fundamentalem Interesse. Neutronen sind sehr geeignete Teilchen, um die grundlegenden Eigenschaften der QM zu testen, denn im Gegensatz zu Atomen und Molekülen können sie im Experiment ohne nennenswerte Störungen manipuliert und kontrolliert werden. Neben der Untersuchung fundamentaler Fragen zur QM, wie Verschränkung und Dekohärenz, liefert das Projekt auch Antworten auf die Frage, wie sich Teilchen mit Spin in Magnetfeldern verhalten. Die Resultate haben einen weiten Anwendungsbereich, z. B. in der Atomoptik, wo die Ergebnisse direkt verwertbar sind. Neben den theoretischen Arbeiten des Antrages werden in Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern Strategien zu entwickeln, die eine direkte experimentelle Umsetzung der Forschungsergebnisse erlauben. Die Experimente werden am Institut Laue-Langvine (ILL) in Grenoble in Frankreich durchgeführt.

Verschränkung ist die fundamentale Quanteneigenschaft, die die Grundlage für die Quanteninformationstheorie bildet. Um einen möglichen Quantencomputer zu bauen, muss die Forschung hauptsächlich die Antwort auf zwei Fragen finden:Wie entsteht Verschränkung?Wie können wir Verschränkung vor Umwelteinüssen bewahren?Dieses Projekt hat sich beiden Fragen gewidmet. Wir untersuchten dazu Neutronen - das sind kleine, neutrale, massive Teilchen, die Teil des Atomkerns sind. Sie werden am Forschungsreaktor des Atominstitutes der TU Wien (ATI) produziert.Der Großteil des Projektes war der Erzeugung von Verschränkung gewidmet. In der Neutronenphysik wird Verschränkung nicht zwischen verschiedenen Neutronen erzeugt (wie bei den Photonen), sondern man verschränkt verschiedene Eigenschaften (Freiheitsgrade genannt) eines einzelnen Neutrons miteinander. Wir verwenden zwei Methoden zur Erzeugung: das Interferometer und das Polarimeter.In einem Interferometer wird das Neutron in zwei Wege aufgespalten und wieder zusammengeführt.Wir verwenden den Weg als ersten Freiheitsgrad und den Spin des Neutrons als zweiten Freiheitsgrad. Der Weg und der Spin eines einzelnen Neutrons werden verschränkt. Nun können wir noch einen dritten Freiheitsgrad dazu nehmen, nämlich die Energie des Neutrons. Für diese sogenannte tripartite Verschränkung entwickeln wir Methoden (sogenannte Bell Ungleichungen), die messen, wie viel Verschränkung in einem System vorhanden ist. Für unser System erhalten wir sehr gute Resultate: unsere verschränkten Zustände sind fast perfekt.Im Polarimeter gibt es keine räumliche Aufspaltung der Neutronen. Wir arbeiten mit dem Spin, der Energie und dem Impuls der Neutronen als Freiheitsgrade für die Verschränkung. In unserem Setup ist es möglich, mehr als zwei Energielevels zu erzeugen. Das hat vielversprechende Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung als Multilevelsystem.Im zweiten Teil des Projekts untersuchten wir die Zerstörung von Verschränkung. Das Wissen, was die Menge an Verschränkung in einem System beeinflusst, ist wichtig, damit man sie davor schützen kann. Alle Mechanismen, die Verschränkung reduzieren, nennt man Dekohärenz.Dekohärenz, die durch geometrische Phasen verursacht wird, kann durch geeignete Messanordnungen wieder rückgängig gemacht werden. Wird die Dekohärenz durch zeitlich veränderliche Magnetfelder verursacht, so zeigen unsere Ergebnisse, dass auch sehr kleine Quanten-Magnetfelder einen signifikanten Einfluss auf den Neutronenzustand haben.Als besonders fruchtbar für das Projekt hat sich die enge Zusammenarbeit zwischen theoretischen Physikern und Experimentalphysikern erwiesen.