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Forschungsarbeit

Experimente mit Verschränkung zwischen einem Atom und einem Photon

Von Wenjamin Rosenfeld (5.11.2009)

Verschränkung ist ein ganz besonderes quantenmechanisches Phänomen mit vielen faszinierenden Eigenschaften. Dies ist interessant u.a. weil die verschränkten Teilchen von unterschiedlicher Natur sind, was neue experimentelle Möglichkeiten eröffnet. So ist es zum ersten Mal gelungen, den auf dem Photon kodierten Zustand auf das Atom zu teleportieren. Ferner ist es möglich, das Photon über weite Stecken zu übertragen. Damit wurden Bedingungen geschaffen, um zwei unabhängig gefangene Atome über große Entfernung zu verschränken. Dieser wichtige Schritt wird eine Basis für neue Experimente zu den Grundlagen der Quantenmechanik.

Quantenmechanik ist die Grundlage für die Beschreibung der Natur auf der fundamentalen Ebene. Viele ihrer Erscheinungen widersprechen der gewohnten Alltagserfahrung, deren saubere Beobachtung erfordert jedoch meistens raffinierte experimentelle Hilfsmittel. Ein herausragendes Phänomen in der Quantenmechanik ist Verschränkung. Die besondere Eigenschaft von verschränkten Zuständen ist, dass eine Messung an einem Teilchen sofort den Zustand des anderen offenbart, auch wenn die beiden beliebig weit voneinander entfernt sind. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung.

 

Links: Schema des Experiments zur Atom-Photon Verschränkung. Rechts:Atom-Photon Korrelationen[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Links: Schema des Experiments zur Atom-Photon Verschränkung. Rechts: Atom-Photon Korrelationen: abhängig von dem Zustand des detektierten Photons, befindet sich das Atom mit höherer oder kleinerer Wahrscheinlichkeit in einem bestimmten Zustand.

 

In diesem Projekt wurde die Verschränkung zwischen einem einzelnen Atom und einem einzelnen Lichtteilchen - einem Photon - experimentell erzeugt und untersucht. Dafür wird das Atom mit Hilfe von Laserlicht gekühlt und in einer optischen Falle eingefangen. Die Erzeugung der Verschränkung läuft über eine definierte Wechselwirkung eines Lichtstrahls mit dem Atom. Dabei wird genau ein Photon emittiert dessen Spin (bzw. Polarisation) mit dem Spin des Atoms verschränkt ist. Der Nachweis der Verschränkung erfolgt dann über Messungen der Zustände am Atom und am Photon. Alle Operationen am Atom wie die  Präparation der internen Zustände, sowie das Auslesen, sind realisiert als Sequenzen von Laserpulsen, welche in der Frequenz und dem Timing genau abgestimmt sein müssen. Ferner sind quantenmechanische Zustände, meistens sehr fragil - durch Wechselwirkung mit der Umgebung werden sie auf unkontrollierbare Art und Weise verändert, deswegen muss besonderer Wert auf deren Erhaltung gelegt werden. Die speziellen Eigenschaften der quantenmechanischen Zustände ermöglichen prinzipiell neue Methoden der Informationsverarbeitung (Quantencomputer) und der Kommunikation (Quanten-Kryptographie). Diese neuen Ansätze erlauben effiziente Lösung von Rechenproblemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind, sowie grundsätzlich abhörsichere Kommunikation.

Besonders bekannt ist Quantenteleportation, welche es erlaubt, den Zustand von einem Teilchen auf ein anderes mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen, ohne dass das Teilchen selbst transportiert werden muss. Im Rahmen dieser Arbeit ist es zum ersten Mal gelungen, Teleportation zwischen einem Photon und einem Atom durchzuführen. Dazu wurde auf dem Photon mithilfe eines Interferometers ein Zustand kodiert, welcher dann über eine spezielle Messung auf das Atom übertragen wurde.

 

Interferenz der emittierten Photone[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2: Über Interferenz von den emittierten Photonen sollen zwei Atome über große Entfernung verschränkt werden.

 

Da sich Licht relativ einfach über lange Strecken übertragen lässt, eröffnet die Verschränkung zwischen Atomen und Photonen neue experimentelle Möglichkeiten. Der nächste Schritt wird sein, einen verschränkten Zustand von zwei unabhängig gefangenen Atomen über eine große Entfernung herzustellen, ohne dass die Atome dabei miteinander wechselwirken.  Dies kann man erreichen, indem man beide Atome jeweils mit einem Photon verschränkt und die Photonen miteinander interferieren lässt. Mit zwei verschränkten Atomen wird es schließlich möglich einen fundamentalen Test der Quantenmechanik durchzuführen, den so genannten Test der Bellschen Ungleichung (nach John Stewart Bell). Dieser kann eine Antwort auf die seit Jahrzehnten bestehende Frage über die Natur der physikalischen Realität geben.


Dr. Wenjamin Rosenfeld
Dr. Wenjamin Rosenfeld
* 1977 in Odessa, Ukraine

Stationen
  • 1998-2003
  • Physikstudium an der Universität Bonn, Diplomarbeit zum Thema: "A high finesse optical resonator for cavity QED experiments", Abschluss mit Gesamtnote "sehr gut" mit Auszeichnung
  • 2004-2008
  • Promotion in der Arbeitsgruppe H. Weinfurter an der LMU München, Projekt: Atom-Photon Verschränkung, Abschluss der Promotion "summa cum laude", Titel der Dissertation: "Experiments with an Entangled System of a Single Atom and a Single Photon"
  • Mai 2004 – Nov. 2005, Dez. 2005 - Sept. 2007
  • Wiss. Angestellter an der LMU München und an der TU München
  • seit Dez. 2005
  • Mitglied des Doktorandenkollegs "Quantum Computing, Control and Communication" im Rahmen des Elitenetzwerks Bayern und wiss. Angestellter an der LMU München (seit Sept. 2007)

Veröffentlichungen
  • ? Coherence Properties and Quantum State Transportation in an Optical Conveyor Belt, S. Kuhr, W. Alt, D. Schrader, I. Dotsenko, Y. Miroshnychenko, W. Rosenfeld, M. Khudaverdyan, V. Gomer, A. Rauschenbeutel, and D. Meschede, Phys. Rev. Lett. 91, 213002 (200
  • ? Observation of Entanglement between a single photon and a single trapped atom, J. Volz, M. Weber, D. Schlenk, W. Rosenfeld, J. Vrana, K. Saucke, C. Kurtsiefer and H. Weinfurter, Phys. Rev. Lett. 96, 030404 (2006).
  • ? Remote preparation of an atomic quantum memory, W. Rosenfeld, S. Berner, J. Volz, M. Weber, and H. Weinfurter, Phys. Rev. Lett. 98, 050504 (2007).
  • ? An Atom and a Photon, J. Volz, M. Weber, D. Schlenk, W. Rosenfeld, C. Kurtsiefer, and H. Weinfurter, Laser Physics 17, 1007 (2007).
  • ? Towards Long-Distance Atom-Photon Entanglement, W. Rosenfeld, F. Hocke, F. Henkel, M. Krug, J. Volz, M. Weber, and H. Weinfurter, Phys. Rev. Lett. 101, 260403 (2008).
  • ? Towards a loophole-free test of Bell's inequality with entangled pairs of neutral atoms, W. Rosenfeld, M. Weber, J. Volz, F. Henkel, M. Krug, Adan Cabello, Marek Zukowski, and H. Weinfurter, Advanced Science Letters 4, 469 (2009).