Quantenverschränkung gelingt erstmals im Uplink

Nicolas Gisin

Reinhard Stanzl

Es gibt die verbreitete Aussage, dass Quantenverschränkung, ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, kontraintuitiv sei. Diese Behauptung kann aber nicht nur Laien zugeschrieben werden, sondern findet sich auch bei Wissenschaftlern der Quantenmechanik wieder. Wie können wir uns das verständlich machen? Ich bearbeite dieses Thema auf Basis von vier miteinander verwobenen Gesichtspunkten: Erstens, auf einer theoretischen Ebene lege ich die hier relevanten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik vor. Dies geschieht hauptsächlich anhand des EPR Gedankenexperiment und den entsprechenden Standpunkten von Einstein et al. und Schrödinger. Zweitens, auf einer experimentellen Ebene veranschauliche ich die Kontraintuitivität der Quantenverschränkung im Zusammenhang mit einem spezifischen Forschungsfeld. Im Konkreten erfolgt dies anhand der Quanten-Optomechanik, genauer der Experimente der Forschungsgruppe „Quantum Foundations and Quantum Information on the Nano- and Microscale“ der Universität Wien. Drittens, auf einer persönlichen Ebene werte ich meine Interviews mit den Mitgliedern ebendieser Forschungsgruppe aus. Viertens, auf einer philosophischen Ebene mache ich mir Schlüsselkonzepte von Gaston Bachelards Epistemologie zunutze, wie zum Beispiel das epistemologische Profil oder einer durch Erfahrung belehrten Vernunft. Alle diese vier Aspekte werden zusammengenommen um zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits die Konkretisierung der Besonderheiten und Merkmale der Kontraintuitivität im Kontext der Quantenverschränkung. Andererseits die Betrachtung der Frage ob und wie das Experimentieren mit Quantenverschränkung den Umgang mit dessen Kontraintuitivität erleichtert, zum Beispiel durch Gewöhnung. Im Großen und Ganzen stellt die Diplomarbeit keine tiefgreifende Analyse dieser beiden Themen zur Verfügung, sondern liefert eine plausible Annäherung an das Problem.

Gleb Wataghin

Roswitha Harrer

Abstract Das Unfassbare fassbar machen – noch 100 Jahre nach den ersten revolutionären Entdeckungen stellt die Quantenmechanik Experimentatoren vor große Herausforderungen. Nun gelang es Physikern erstmals, durch ein neuartig gebautes “Mikroskop” die Wellenfunktion des Elektrons im Wasserstoffatom direkt sichtbar zu machen.

Tim Rom

In den letzten Jahren haben sich atomare Quantengase in optischen Gittern zu einem faszinierenden und interdisziplinär bedeutsamen Forschungsfeld entwickelt. Die in den periodischen Potentialen gefangenen ultrakalten Atome stellen ein ideales Modellsystem dar, anhand dessen sich grundlegende Fragestellungen der modernen Festkörper- und Vielteilchenphysik untersuchen lassen. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Manipulation und Analyse von Quantenzuständen in optischen Gittern demonstriert. Insbesondere wird mittels der sogenannten Rauschkorrelationsanalyse die Ordnung der Atome im Gitter bestimmt und erstmals fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen nachgewiesen. Grundlage für die vorgestellten Experimente ist eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Apparatur, mit der sich simultan entartete bosonische und fermionische Quantengase aus 87-Rubidium und 40-Kalium präparieren und in einem dreidimensionalen optischen Gitter untersuchen lassen. Die Apparatur zeichnet sich durch eine Serie technischer Innovationen aus: Eine neuartige Spulen- und Fallenkonfiguration eröffnet einen hervorragenden optischen Zugang zu den präparierten Ensemblen und ermöglicht es, starke homogene Magnetfelder bei einer geringen dissipierten Leistung zu erzeugen. Dies sind wichtige Voraussetzungen, um definierte Gitterpotentiale verwirklichen und die interatomaren Wechselwirkungen mittels Feshbach-Resonanzen beeinflussen zu können. Das optische Potential geht aus der Überlagerung einer gekreuzten Dipolfalle und eines blauverstimmten dreidimensionalen Gitters hervor. Eine solche Kombination erlaubt es, sehr tiefe und relativ homogene Gitterpotentiale zu erzeugen sowie den externen Einschluss unabhängig von der Gittertiefe zu variieren. Des Weiteren lassen sich über eine frei einstellbare Wellenlänge speziesabhängige Gitter realisieren. Die Vereinigung der hier aufgeführten Technologien liefert uns eine außergewöhnlich flexible Plattform für das Studium maßgeschneiderter Quantenzustände in periodischen Potentialen. Durch den unabhängigen externen Einschluss kann erstmals ein Fermigas allein über dessen Kompression zwischen einem metallischen und einem isolierenden Zustand hin- und hergeschaltet und – in ersten Ansätzen – die entsprechende Dynamik beobachtet werden. Die Ergebnisse werden mit numerischen Simulationen verglichen. Neben der Durchführung von Transportmessungen lässt sich hieraus ein neues Diagnoseverfahren ableiten, das es ermöglicht, Quantenphasen, wie den bosonischen oder fermionischen Mott-Isolator, anhand der charakteristischen Kompressibilität zu identifizieren. Als weiteres Diagnoseverfahren wird die Korrelationsanalyse von Flugzeitaufnahmen vorgestellt. Durch die Auswertung von Hanbury Brown und Twiss (HBT)-Korrelationen im Quantenrauschen der expandierenden Atomwolken lässt sich die mikroskopische Ordnung der Atome im Gitter nachweisen. Ausgangspunkt für die Messungen sind jeweils vollständig spinpolarisierte bosonische Mott-Isolatoren und fermionische Bandisolatoren. Trotz identischer Dichteverteilungen innerhalb des Gitters, weisen die Korrelationen von Bosonen und Fermionen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Mit diesen Messungen gelingt es erstmals, fermionisches Antibunching an freien neutralen Atomen zu beobachten und innerhalb einer selben Apparatur mit dem bosonischen Bunching zu vergleichen. Neben dem Nachweis dieses fundamentalen Quanteneffektes lässt sich die Ordnung und die Temperatur der Fermionen im Gitter bis hinauf zur Fermi-Temperatur bestimmen. Damit erweist sich die Korrelationsanalyse als ein robustes Verfahren, mit dem sich in Zukunft noch weitaus komplexere Quantenphasen in optischen Gittern untersuchen lassen.

Sabine Seelenmeyer, Martin Heinig