Quantenoptomechanik mit Nanokugeln und Ionen

Die Kontrolle über quantenmechanische Freiheitsgrade, die früher im Reich der Gedankenexperimente lag, ist heute in verschiedenen Systemen, darunter einzelne Atome und einzelne Photonen, erreicht. Intensive Anstrengungen werden unternommen, um diese Kontrolle auf die Bewegung makroskopischer Objekte auszuweiten. Im entstehenden Forschungsgebiet der Resonator-Optomechanik (cavity optomechanics) werden mechanische Oszillatoren mit einem Resonator kombiniert, in dem Licht gespeichert werden kann. Das Licht übt Druck auf den Oszillator aus und die Bewegung des Oszillators ändert das Frequenzverhalten des Resonators, sodass beide Systeme gekoppelt sind. Trotz des beachtlichen Fortschritts aktueller Experimente ist diese Kopplung linear, das heißt Änderung der Bewegung des Oszillators und Änderung des Lichtfeldes sind einander proportional. Um nichtklassische Zustände des Oszillators zu erzeugen, ist jedoch nichtlineare Kopplung notwendig. In diesem Projekt wird die notwendige nichtlineare Kopplung durch die Kopplung eines einzelnen gefangenen Ions und eines makroskopischen Objekts hier ein freischwebendes Glaskügelchen an einen optischen Resonator erreicht. Ein wichtiger Aspekt des Projekts besteht im freien Schweben des Glaskügelchens, wodurch es von der Umgebung isoliert wird. Das zweite wesentliche Merkmal ist das gefangene Ion, ein gut verstandenes quantenmechanisches System, das für die optomechanisches Nichtlinearität sorgt. Das Hauptziel besteht darin, das Glaskügelchen in einen Superpositionszustand zu bringen, das heißt in einen quantenmechanischen Zustand, in dem es sich an zwei Positionen gleichzeitig befindet. In einer längerfristigen Vision werden diese nichtklassischen Zustände des Glaskügelchens als hochempfindliche Detektoren, für die Erforschung bisher unzugänglicher Bereiche der Quantenmechanik und als Schnittstellen zu anderen Quantensystemen verwendet.

Die Kontrolle über quantenmechanische Freiheitsgrade, die früher im Bereich der Gedankenexperimente lag, ist heute in verschiedenen Systemen, darunter einzelne Atome und einzelne Photonen, erreicht. Intensive Anstrengungen werden unternommen, um diese Kontrolle auf die Bewegung makroskopischer Objekte auszuweiten. Zum Beispiel wurden in den letzten Jahren geklammerte mechanische Oszillatoren (beispielsweise kleine Trommelfelle) in einer quantenmechanischen Superposition, das heißt an zwei Orten gleichzeitig, präpariert. Das Vorgehen, dass diesen Schritt ermöglichte, war eine nichtlineare Kopplung zwischen Licht und der Bewegung des Oszillators (oder, allgemeiner, zwischen elektromagnetischen und akustischen Wellen). Außerdem wurde darauf hingewiesen, dass levitierte mechanische Oszillatoren - das heißt Oszillatoren, die nicht geklammert sind, sondern durch optische oder elektromagnetische Kräfte gegen die Schwerkraft aufgehängt werden - besondere Vorteile gegenüber den geklammerten Oszillatoren haben: Sie können als Basis für hochempfindliche Detektoren verwendet werden und würden die Quantenmechanik in noch nie dagewesenen Regimen beobachten lassen. Das Ziel dieses Projekts war, eine nichtlineare Kopplung zwischen Licht und der Bewegung eines levitierten mechanischen Oszillators zu schaffen, um die Erzeugung von Quantenzuständen zu ermöglichen. Als makroskopischen Oszillator haben wir eine Nanokugel aus Glas gewählt, die elektromagnetisch in einer sogenannten Paul-Falle levitiert wird. Wir zeigten zunächst, dass eine Nanokugel bei ultra-niedrigem Druck, der für quantenmechanische Experimente notwendig ist, in die Falle geladen werden kann. Anschließend haben wir vier wissenschaftliche Artikel über Methoden zur Abbremsung des Teilchens veröffentlicht. Unsere umfangreichen Untersuchungen zu diesem Thema spiegeln die Tatsache wider, dass die Vorbereitung eines Quantenzustandes erfordert, dass die Nanokugel sich sehr langsam, nahe an den quantenmechanischen Grenzen bewegt. Darüber hinaus untersuchten wir in drei weiteren Veröffentlichungen "Hybridfallen", Mischungen aus Paul-Fallen und Laser-Fallen, die die einzigarten Vorteile beider Fallen verwenden. Schließlich bieten unsere beiden jüngsten Ergebnisse einen vielversprechenden Ausblick auf die Herstellung des Quantenzustands. Einerseits können wir die Nanokugel durch eine (elektrische) Verschiebung wie eine Schaukel "schwingen" lassen. Tatsächlich schwingt die Nanokugel monatelang, bevor das Schwingen verstummt. Das zeigt, dass die Nanokugel sehr gut vom Umfeld isoliert ist, was eine zusätzliche Bedingung darstellt, um den Quantenbereich zu erreichen. Andererseits haben wir eine Nanokugel und ein einzelnes atomares Ion zusammen in derselben Falle levitiert. Das ist das erste Mal, dass zwei so unterschiedliche Objekte zusammen gefangen wurden. Das atomare Ion ist ein gut erforschtes quantenmechanisches System, dass in zukünftigen Experimenten eine Nichtlinearität anbietet, die wir gesucht hatten.