Zweifach, dreifach und vierfach Verschränkung von Neutronen

Seit ihren Anfängen haben sich Neutroneninterferometrieexperimente als ideale Technik für Untersuchungen im Bereich der Grundlagen der Quantenmechanik mit massebehafteten Teilchen etabliert. Diese Experimente, in denen Interferenzeffekte von Materiewellen eine wichtige Rolle spielen, dienen bis heute als elegante Demonstration quantenmechanischer Phänomene. Diese Technik ermöglichte es, zahllose Lehrbuchexperimente der Quantenphysik, wie den Nachweis der 4p Spinor Symmetrie von Spin-1/2 Teilchen, Spin Superposition, gravitationsinduzierte Phasen, Fizeau- und Sagnac Effekt, direkt zu realisieren. Parallel dazu wurde eine alternative Methode, die Neutronenpolarimetrie, weiterentwickelt. Durch sie sind Phasenmessungen, wie z. B. der Nachweis topologischer Phasen, auch in Fällen in denen hohe Stabilität und Effizienz unüberwindliche Hindernisse für übliche neutroneninterferometrische Methoden darstellen, ermöglicht worden. Unserer kürzlich erreichten Realisierung von Dreifachverschränkung in Einzelneutronen folgend, konzentrieren wir uns im vorliegenden Projekt auf drei Hauptziele: (i) Detaillierte Studien und noch effizientere Realisierung von Zweifachverschränkung in Neutronen, sowie ihre Anwendung zur Untersuchung von Dekohärenzphänomenen. (ii) Weitere Experimente zur Realisierung und Charakterisierung verschiedener Arten von Dreifachverschränkung in Neutronen. (iii) Realisierung von Vierfachverschränkung in Neutronen. In unserem vorangegangenen Projekt "Untersuchung quantenmechanischer Phenomäne mittels Neutronen" (Juni 2005 - Mai 2008) konnten wir die erste experimentelle Demonstration von dreifachverschränkten GHZ Zuständen in Neutronen erreichen. Damit und mit der Entwicklung oder Verbesserung zusätzlicher neutronenoptischer Elemente haben wir eine realistische und sehr konkrete Perspektive für die Experimente, die zu unseren drei oben genannten Hauptzielen führen. Da die Implementierung von Verschränkung der Quantenzustände verschiedener Unterräume in einzelnen Teilchen insbesondere in polarimetrischen Experimenten nun kein schwieriges technisches Problem mehr darstellt, sind alle schon erreichten Ergebnisse auch für viele andere physikalische Systeme neben den Neutronen von großem Wert. Bei allen drei Zielen haben experimentelle Untersuchungen Vorrang, wobei theoretische Ergänzungen der Arbeit aus Kollaborationen mit anderen Gruppen innerhalb Österreichs und weltweit zugesichert ist. Ein Zweck des Projektes ist es auch, einen wesentlichen Teil zum beeindruckenden Fortschritt in der Quantenoptik und Quanteninformations- und Kommunikationstechnologie durch Ausnutzung der speziellen Eigenschaften des Neutrons als Materiewelle beizutragen.

Silizium-Perfektkristall-Interferometrie mit thermischen Neutronen hat sich von Beginn an als eine leistungsfähige Technik für Untersuchungen im Bereich der Grundlagen der Quantenmechanik erwiesen und ermöglichte somit zahlreiche Lehrbuchexperimente. Zusätzlich entwickelte sich alternativ eine Methode, die als Polarimetrie bezeichnet wird und zur Phasenmessung eingesetzt wird. Ihre Vorteile liegen in einer hohen Phasenstabilität und Effizienz. Diese beiden neutronenoptischen Untersuchungsmethoden führen Techniken der Quantenoptik mit modernster Neutronenoptik erfolgreich zusammen. Sowohl mittels Interferometer als auch Polarimeterexperimenten befassten wir uns mit der Verschränkung verschiedener Freiheitsgrade des Quantensystems Neutron. Des Weiteren untersuchten wir Fehler-Störung Unschärfe Relationen unter Verwendung eines Neutronen Polarimeters. Ausgehend von der Verletzung einer Bellschen Ungleichung, wurden verschiedene Freiheitsgrade des Neutrons, beispielsweise Pfad, Spin, Energie oder Impuls, für die Erforschung von mehrfach Verschränkung und Quantenkontextualität genutzt. Innerhalb dieses Projektes gelang sowohl eine interferometrische als auch polarimetrische Untersuchung von dreifach verschränkten Quantenzuständen vom Typ Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ). Diese Experimente zeigten eine eindeutige Diskrepanz zwischen den Vorhersagen der klassischen Physik und jenen den der Quantenmechanik. Weiters wurde mittels sogenannten W-Zuständen und GHZ-Zuständen die Existenz verschiedene Klassen von echter mehrfach Verschränkungen bestätigt. Unsere Resultate zeigen eindeutig, dass sich Quantenkorrelationen in unterschiedlichen Teilsystemen eines physikalischen Ganzen manifestieren können. Das polarimetrische Experiment, zum Thema dreifach Verschränkung wies einen Kontrast von über 98% auf. Dies ermöglichte die Überprüfung eines realistischen kontextuellen Modells der Quanten Mechanik. Ein weiterentwickeltes Neutronen Polarimeter ermöglichte einen Test der Fehler-Störung Unschärfe Relation im Sinne eines von Werner Heisenberg vorgeschlagenen Gedankenexperiments, bekannt als das Gammastrahlen-Mikroskop. Unser Experiment zeigt eine klare Verletzung der ursprünglichen Relation, und bestätigt die Richtigkeit einer neuen Relation, die generell Gültigkeit für sich beansprucht. Dieser Errungenschaft folgte eine intensive Berichterstattung in diversen Zeitungen, populärwissenschaftlichen Journalen und im Internet. Von diesem Umbruch werden neue Erkenntnisse über Quantenmessungen sowohl im Bereich der angewandten Physik als auch in der Grundlagenforschung erwartet. Das Projekt zeigte die signifikanten Vorteile der Untersuchung von Mehrfach Verschränkung mit Neutronen Materiewellen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass all unsere Resultate von höchstem Wert für relevante Bereiche der Physik sind.