Quantenphysik mit korrelierten Atompaaren

Ziel des vorgestellten bilateralen Forschungsprojektes ist die Erzeugung, Detektion und Charakterisierung stark korrelierter Quantenzustände in ultrakalten atomaren Gasen. In Analogie zu den korrelierten Photonenpaaren der Quantenoptik wird eine "Quanten-Atom-Optik" entwickelt, die als Grundlage weiterer Experimente zur Verschränkung massiver Teilchen oder Interferometrie mit nicht-klassischen Zuständen dienen kann. Das Projektziel ist insbesondere die Erzeugung von Impuls-korrelierten Atompaaren. Beide Projektpartner gehören im Bereich Erzeugung und Charakterisierung exotischer Quantenzustände zur Weltspitze, wobei meist unterschiedliche experimentelle Ansätze verfolgt werden. Der österreichische Projektpartner wird sog. Atomchips zur kontrollierten Erzeugung von korrelierten Atompaaren verwenden. Dabei wird ein Schwingungszustand des Gases parametrisch angeregt der dann ähnlich einer "down conversion" in Paarzustände mit genau definiertem Impuls relaxiert. ber interne Zustände kann dieser Prozess effizient gepumpt und die Relaxationsdynamik im Detail studiert werden. Die entstehenden Atompaare können im Weiteren verwendet werden, das Ausgangssystem, in diesem Fall ein ein-dimensionales Bose Gas, zu untersuchen Der Französische Partner wird einen optischen Verstärkerprozess basierend auf Rayleigh-Streuung oder "quantum- depletion" zur gezielten Erzeugung von Impuls-korrelierten Atompaaren verwenden. Der enorme Erfolg der Quantenoptik basiert nicht zuletzt auf der Verfügbarkeit von Ein-Photonen-Zählern. In zukünftigen der Quanten-Atomoptik werden Einzel-Atom-Detektoren eine ähnlich wichtige Rolle spielen. Auch auf diesem Gebiet sind die beiden Projektpartner unter den weltweit führenden Gruppen, wiederum mit unterschiedlichen experimentellen Ansätzen. Der österreichische Partner verwendet eine neu entwickelte Fluoreszenz-Methode während der französische Partner mit metastabilen He* Atomen arbeitet und die hohe interne Energie zur Nachweisionisation verwendet. Beide Gruppen haben bereits verschiedene Aspekte des klassischen Hanbury-Brown-Twiss Experimentes der Quantenoptik mit thermischen oder Quanten-degenerierten atomaren Gasen untersucht. Dieses bilaterale Projekt wird es den Partnern ermöglichen, ihre individuellen technischen und methodischen Lösungen zu vergleichen und auszutauschen, um gemeinsame Forschungsziele zu erreichen. berlegene Methoden zur Erzeugung, Detektion und Charakterisierung korrelierter Quantenzustände werden identifiziert und von beiden Partnern umgesetzt. Gemeinsam betreute Doktorarbeiten sichern den Wissens- und Technologietransfer. Somit können gemeinsame wissenschaftliche Ziele erreicht werden, die (auf vergleichbarer Zeitskala) außerhalb der Möglichkeiten der beiden einzelnen beteiligten Gruppen liegen.

Während des Projektes CAP wurden von der Österreichischen sowie von der Französischen Partnergruppe Quellen für Atom-Paare entwickelt. Atome können von dieser nicht-klassischen Quelle nur als Paare ausgestrahlt werden, und die Geschwindigkeit jedes Atoms ist von der Geschwindigkeit seines Zwillingsatoms abhängig. Diese Korrelationen zwischen den Atomen werden durch die interatomaren Wechselwirkungen erzeugt. Korrelierte Zustände sind für viele Phänomene der Quantenmechanik verantwortlich. Bis vor kurzem konnten nur Paare von korrelierten Photonen erzeugt werden. Diese Photonen-Paare wurden für grundlegende Tests der Quantenmechanik und für praktische Anwendungen wie Quantenkryptographie und Quantenkommunikationen benutz. Die im CAP Projekt entwickelten Quellen von atomare Zwillingsstrahlen sind der erste Schritt ähnliche Experimente auch mit Atomen durchzuführen. Die Quelle für Atom-Paare benutzt ein Gas von ultrakalten 87Rb Atomen in einer 1-dimensionalen Mikrofalle auf einem Atomchip. Am Anfang sind alle Atome im Zustand niedrigster Energie und bilden ein Bose-Einstein Kondensat (BEK). Durch Schütteln der Mikrofalle mit einer speziell optimierten Sequenz kann das komplette BEK in den ersten transversal angeregten Zustand der Falle gehoben werde. Die Atome können nur paarweise in den niedrigsten Energiezustand zurückfallen. Dieser Prozess ist äquivalent dem Down-Conversion Prozess zur Erzeugung von Photonen-Paaren. In unseren Experimenten konnten wir zeigen dass die emittierten Atom-Paare nahezu perfekt korreliert und das Quantenrauschen um fast -10 dB unterdrückt ist. Darüber hinaus haben wir ausführlich die optimalen Anregungssequenzen und den Paar-Entstehungsprozess selbst untersucht. Um in Zukunft Verschränkung zu demonstrieren, muss man eine zweite Mode und Interferenz hinzuzufügen. Wir entwickelten daher zusätzliche Techniken, um verschränkte Atom-Paare zu erzeugen und zu analysieren. Dies führte uns zu zwei zusätzlichen Experimenten: (1) Kohärente Aufteilung und Interferenz mit einem gefangenen BEK: wir konnten reduziertes Quantenrauschen, Verschränkung und ein Atom-Interferometer mit gefangenen Atomen realisieren. (2) Wir verbesserten die Anregungspulse die nun einen Faktor 5 kürzer sind. Mit diesen konnten wir ein Interferometer mit den Bewegungszuständen eines gefangenen BEK realisieren.