Abstract Interferometrie mit Materiewellen hat sich in jüngerer Vergangenheit zu einem Werkzeug für Präzisionsmessungen unterschiedlicher Art entwickelt. Unsere Gruppe an der Stanford University arbeitet an einer Messung der Feinstrukturkonstante α. Wir nutzen dabei den Rückstoß, den ein Cäsiumatom erfährt, wenn es mit vielen Photonen gleichzeitig wechselwirkt. Durch diese Multiphotonenprozesse lässt sich das Signal um einen Faktor hundert gegenüber früheren Experimenten erhöhen.
Abstract Interferometrie mit Materiewellen hat sich in jüngerer Vergangenheit zu einem Werkzeug für Präzisionsmessungen unterschiedlicher Art entwickelt. Unsere Gruppe an der Stanford University arbeitet an einer Messung der Feinstrukturkonstante α. Wir nutzen dabei den Rückstoß, den ein Cäsiumatom erfährt, wenn es mit vielen Photonen gleichzeitig wechselwirkt. Durch diese Multiphotonenprozesse lässt sich das Signal um einen Faktor hundert gegenüber früheren Experimenten erhöhen.
Die Forschung an Materiewellen hat sich innerhalb der letzten Jahrzehnte zu einem umfassenden Feld zur Untersuchung grundlegender physikalischer Phanomene entwickelt. Das Superpositionsprinzip ist dabei ein fundamentaler Bestandteil. Es erlaubt quantenmechanischen Systemen sich in einer koharenten Uberlagerung von Zustanden zu befinden, die sich gegenseitig ausschliesen. Es ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik, dennoch scheint es unserer alltaglichen Erfahrung zu widersprechen. Materiewellen-Interferometrie erlaubt es die Linearitat der Quantenphysik mit immer makroskopischeren Objekten zu uberprufen. Somit konnten wir Modelle testen, die fur massive Nanoteilchen Abweichungen in der Dynamik massiver Korper von der etablierten Quantenmechanik vorhersagen. Die vorliegende Arbeit beschaftigt sich mit den Herausforderungen, die die Quanteninterferenz von makroskopischen Teilchen an den experimentellen Aufbau stellt. Diese umfassen sowohl die Entwicklung von geeigneten Teilchenquellen als auch das Design des Interferometers an sich.
Wahrend meines Doktorats habe ich ein optisches Materiewellen-Interferometer fur Cluster und grose Molekule mitkonzipiert und aufgebaut. Die grundlegende Idee besteht darin, absorptive Lichtgitter mit Talbot - Lau Interferometrie in der Zeitdomane zu kombinieren. Neutrale Teilchen fliegen parallel zu einer Spiegeloberflache, die drei zeitlich zueinander abgestimmte UV-Laserpulse reflektiert. Die entstehenden Stehwellen dienen als absorptive Strukturen, in deren Maxima Teilchen durch Absorption eines Photons aus dem Strahl enfernt werden. Im Unterschied zu materiellen Masken konnen solche Gitter gepulst erzeugt werden, sodass die Vorwartsgeschwindigkeit der Teilchen fur die Interferometrie vernachlassigbar wird, was die Messgenauigkeit des Interferometers erhoht.
Die Eigenschaften des vorgestellten Interferometers werden anhand von Interferenzdaten von Clustern aus verschiedenen organischen Molekulen in einem Massebereich bis zu 3000 u diskutiert. Wir verwenden Photoionisation und Photo-Fragmentation als Mechanismen zur Entfernung der Teilchen aus dem Strahl, sodass das Interferometer mit einer breiten Klasse von Nanoteilchen kompatibel ist. Es funktioniert mit Atomen, Molekulen aber auch grosen Clustern und ist deshalb ein vielversprechender Ansatz um die Gultigkeit der Quantentheorie fur massive Teilchen mit einer Masse bis zu 10^6 u zu testen. Ich diskutiere zudem unsere Bemuhungen und mogliche Szenarien um in diesen hohen Massebereich vorzustosen. Die dargestellten Technologien haben sowohl das Potential zukunftige Tests des Quantensuperpositionsprinzips in heutzutage unerreichten Massebereichen zu ermoglichen als auch Metrologie an den untersuchten Systemen durchzufuhren.
Experimente mit einzelnen Photonen eignen sich, um faszinierende Eigenschaften der Quantenphysik zu demonstrieren. Die wohl interessanteste ist die Verschränkung. Bisher wurden Demonstrationsexperimentezu dieser Thematik mit polarisationsverschränkten Photonen erstellt. Nach einem Vorschlag von Franson haben wir einen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die Verschränkung zweier Photonen hinsichtlichderen Frequenz darzustellen. Dabei werden Photonenpaare durch parametrische Fluoreszenz erzeugt und gelangen in räumlich getrennte Michelson-Interferometer. Innerhalb der Kohärenzlänge zeigt sich die klassisch erwartete Interferenz. Bei Armlängenunterschieden jenseits der Kohärenzlänge ist Zwei-Photonen-Interferenzmit einer Sichtbarkeit von 49% möglich, sofern die Armlängendifferenzen beider Interferometer identisch sind. Dieser nichtlokale Effekt kann im Demonstrationsexperiment vor Ort sowie online als interaktivesBildschirmexperiment nachvollzogen werden. Mit unserem Aufbau kann Zwei-Photonen-Interferenz und klassisch erwartete Interferenz ohne Umbauten gezeigt werden. Damit wird das Verschränkungsphänomen ohne den Wissensbereich Polarisation für die Schul- und Universitätsausbildung greifbar. Da zudem darauf geachtet wurde nur Standardmaterialien moderner Quantenoptiklabore zu verwenden, ist es vielerorts leicht möglich den Aufbau zu übernehmen. Das Experiment ist mit kurzer Erklärung auf http://www.QuantumLab.de verfügbar.
Jedes realistische Quantensystem wechselwirkt mit seiner Umgebung. Während dies in vielen Anwendungen zwangsläufig zu Störungen führt, liegt diese Wechselwirkung zahllosen interessanten Phänomenen zugrunde. Gefangene atomare Ionen sind bestens geeignet, um Quantendynamik auf fundamentaler Ebene zu studieren. Sie weisen weitreichende Kontrolle bei der Zustandspräparation, kohärenten Manipulation, und Detektion interner (elektronischer) und externer (Bewegungs-) Freiheitsgrade auf, und ermöglichen ein hohes Maß an Isolation von ihrer Umwelt. In der vorliegenden Arbeit nutzen wir dies, um gezielt offene und geschlossene Quantensysteme zu realisieren und zu untersuchen. Mit einem einzelnen Magnesiumion, welches wir einer inkohärenten Wechselwirkung mit einer großen Umgebung aussetzen, entwickeln wir ein maßgeschneidertes offenes Quantensystem. Wir zeigen, dass der schnelle und drastische Einfluss von Dekohärenz verwendet werden kann, um eine hochpräzise Spektroskopiemethode zu entwickeln, die sensitiv auf einzelne Photonen ist. Damit messen wir Ein-, Zwei-, und Dreiphotonenübergänge in 25Mg+ mit einer relativen Frequenzunsicherheit von weniger als 5 x 10^(-9). Unsere Ergebnisse sind relevant für die Interpretation astrophysikalischer Daten bei der Suche von räumlichen und zeitlichen Variationen der Feinstrukturkonstante. Des Weiteren verwenden wir einen hybriden Ionenkristall aus Magnesiumisotopen, um -- Atom für Atom -- ein nahezu geschlossenes Quantensystem zu konstruieren. Wir wählen und untersuchen ein spezielles Subsystem, und koppeln es kontrolliert an den Rest des Gesamtsystems. Durch die absichtliche Vernachlässigung von Korrelationen und Kohärenz bei der Messung von Observablen des (offenen) Subsystems finden wir Anzeichen von Equilibrierung und Thermalisierung, trotz der unitären Dynamik des Gesamtsystems. Wir untersuchen deren Abhängigkeit von der einstellbaren Größe der Umgebung und der kontrollierten Stärke der Wechselwirkung, wobei die Dynamik in einem Hilbertraum einer Dimension von mehr als 10^6 verläuft. Unsere zeitaufgelösten Messungen zeigen die Auswirkungen der endlichen Systemgröße und den Übergang zur Dynamik eines mesoskopischen Systems, und heben die Bedeutung der beteiligten Zeitskalen hervor. Unser Aufbau kann durch weitere Spin- und bosonische Freiheitsgrade, durch Präparation wählbarer interner und externer Zustände und Anfangskorrelationen, und durch Zustandstomographie erweitert werden. Dies ebnet den Weg für die Untersuchung der Dynamik und Eigenschaften offener und geschlossener Quantensysteme, und für analoge Quantensimulationen verschiedenster Modellsysteme.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
Wie schon des öfteren erwähnt, äußert sich der korpuskulare Charakter des Lichts am eindrucksvollsten beim photoelektrischen Effekt. Letzterer läßt sich in Photozählern zum Registrieren einzelner Photonen ausnutzen. Die Auswertung solcher Zähldaten gewährt dann, wie wir in diesem Kapitel näher ausführen werden, genauere Einblicke in die Beschaffenheit elektromagnetischer Felder. Es wird so gewissermaßen die „Feinstruktur“ von Strahlungsfeldern — in Gestalt von Fluktuationsvorgängen — erkennbar, die der früheren, auf das Auge oder die photographische Platte angewiesenen und daher auf die Messung von zeitlichen Mittelwerten der Intensität beschränkten, Beobachtung notwendig verborgen bleiben mußten.