Einfluss der Erdrotation auf verschränkte Photonenpaare

Wie wirkt sich die Erdrotation auf die besonderen Eigenschaften der Quantensysteme, wie die Quantenverschränkung - Einsteins spukhafte Fernwirkung, aus? Können wir diese Verschränkung nutzen, um das Bezugssystem eines Labors zu bestimmen? Das sind die Fragen, die dieses Forschungsprojekt durch Experimente beantworten will. So genannte Sagnac- Interferometer werden routinemäßig zur präzisen Messung der Erdrotation eingesetzt, z. B. bei Anwendungen der Trägheitsnavigation. Diese Interferometer verwenden jedoch klassisches Laserlicht ohne Quanteneigenschaften wie Verschränkung. Jüngste Arbeiten auf dem Gebiet der Quantenphotonik deuten darauf hin, dass wir jetzt in der Lage sind, die durch die Erdrotation verursachte Veränderung der Quantenverschränkung zu messen. Indem wir nicht-inertiale Effekte, wie zum Beispiel der Einfluss der Erdrotation, auf die Quantenverschränkung untersuchen, schaffen wir ein wichtiges Verständnis für zukünftige Präzisionsmessungen für die Untersuchung der Schnittstelle von Quantenphysik und Gravitation durch Quantenexperimente basierend auf Licht.

Die Ausnutzung des Interferenzeffektes zwischen Wellen, die unterschiedlichen Bahnen folgen, ist eine der besten Methoden für extrem präzise physikalische Messungen. Die fortschrittlichsten Instrumente, die sich dieses Potenzial zunutze machen, sind optische Interferometer. Sie werden unter anderem für die Detektion von Gravitationswellen und die hochpräzise Bestimmung von Drehraten in optischen Gyroskopen eingesetzt. Letztere beruhen auf dem Sagnac-Effekt, der es ermöglicht, Rotationen mit einer Genauigkeit zu messen, die fundamental durch quantenmechanisches Schrotrauschen begrenzt ist. Um diese Grenze zu unterschreiten, müssen nicht-klassische Korrelationen genutzt werden, die unter anderem in verschränkten Photonenzuständen zu finden sind. Diese Zustände sind jedoch extrem verlustanfällig, so dass sie in der Regel nur in kleinen Interferometern verwendet werden können. In diesem Projekt haben wir die Rotationsgeschwindigkeit der Erde mit Hilfe von maximal pfadverschränkten Quantenzuständen des Lichts gemessen, die sich in einem Glasfaserinterferometer mit einer effektiven Fläche von 715 Quadratmetern ausbreiten. Wir haben gezeigt, dass die Einbeziehung eines optischen Schalters eine orientierungsunabhängige Kalibrierung unserer Apparatur und damit eine Möglichkeit zur Bestimmung absoluter Rotation mit reinen Quantenressourcen ermöglicht. Dies bietet einen neuen experimentellen Weg, um das Zusammenspiel zwischen spezieller Relativitätstheorie und Quantenphysik zu testen. Wir gehen davon aus, dass unsere Techniken hochskaliert werden können, so dass zukünftige quantenverstärkte Gyroskope empfindlich auf allgemein relativistische Korrekturen des Sagnac-Effekts sind. Messungen dieser Art würden erstmals in einen experimentellen Bereich vorstoßen, bei dem Gravitationseffekte basierend auf Einsteins Theorie und quantenmechanische Effekte gleichzeitig beobachtet werden können.