Auf dem Weg zur Atom-Photon-Verschränkung: Zustandsselektive Detektion eines einzelnen Atoms

Die Quantenmechanik ist für das Verständnis vieler Naturphänomene von entscheidender Bedeutung – insbesondere im atomaren und subatomaren Bereich. Aber auch bei makroskopischen Objekten muss davon ausgegangen werden, dass sie aus Atomen, Ionen und Elektronen bestehen. Nur unter dieser Annahme ist es möglich, alle Objekte exakt und vollständig zu beschreiben. Daher kann die Quantenmechanik als Grundlage für die Beschreibung aller Phänomene in der Natur angesehen werden. Während der Entwicklung dieser neuen Theorie hatten und haben die meisten Physiker Schwierigkeiten, sie im Rahmen unserer klassischen und nichtrelativistischen Alltagserfahrung zu akzeptieren und zu verstehen. Insbesondere eines der grundlegendsten Merkmale der Quantenmechanik – die Verschränkung – führte zu lebhaften Diskussionen. Es ist nicht möglich, verschränkte Teilchen unabhängig voneinander zu beschreiben, und es ist sicherlich nicht möglich, einen verschränkten Zustand unter Verwendung klassischer physikalischer Gesetze zu beschreiben. Die Besonderheit solcher Zustände wurde 1935 von Schrödinger (in derselben Arbeit, in der er den Begriff „Verschränkung“ einführte) in einem Satz beschrieben: „Das bestmögliche Wissen über ein Ganzes schließt nicht das bestmögliche Wissen über seine Teile ein – und genau das verfolgt uns immer wieder“ [3]. Auslöser für diese Veröffentlichung von Schrödinger war die berühmte Arbeit von Einstein, Podolsky und Rosen [1]. In dieser Arbeit analysierten EPR die Messvorhersagen für ein Zweiteilchensystem, bei dem die Teilchen nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können. Sie argumentierten schließlich, dass die Quantenmechanik zumindest im Hinblick auf ihre Anforderungen an eine physikalische Theorie – d. h. Determinismus und Lokalität – nicht als vollständig angesehen werden könne. Die lebhaften Diskussionen über verschränkte Zustände waren bis 1964 rein philosophischer Natur. In diesem Jahr stellte Bell eine experimentell überprüfbare Ungleichung vor, die Grenzen für die sogenannte Theorie der lokalen versteckten Variablen beschreibt (die vorgeschlagen wurde, um die Quantenmechanik vollständig zu machen). Diese Grenzen werden durch verschränkte Zustände verletzt. Um die Quantenmechanik zu überprüfen, wurden zahlreiche Experimente zur Überprüfung der Bell-Ungleichungen durchgeführt, und fast alle Experimente haben die Ungleichungen verletzt. Die Beweise für diese Verletzungen waren bisher nicht in jeder Hinsicht möglich. Eine Kombination aus experimentellen Schlupflöchern bleibt weiterhin bestehen. Dennoch ist es höchst wahrscheinlich, dass die quantenmechanische Beschreibung (Verschränkung) korrekt ist. Somit bieten Bells Ungleichungen wiederum eine Möglichkeit, die Verschränkung zweier (oder mehrerer) Teilchen experimentell zu prüfen. Dank faszinierender neuer Ideen erlangte die Verschränkung in der gesamten physikalischen Fachwelt neues Interesse. Mit ihren unabhängigen Vorschlägen zur Simulation physikalischer Phänomene mithilfe quantenmechanischer Systeme ebneten Feynman [15] und Benioff [16] im Jahr 1982 den Weg für die neuen Forschungsgebiete der Quantensimulatoren, der Quanteninformationsverarbeitung, der Quanteninformatik und der Quantenkryptografie [17]. Für all diese neuen Ideen ist die Verschränkung von entscheidender Bedeutung. Das Ziel unseres Experiments ist es, erstmals explizit die Verschränkung zweier unterschiedlicher quantenmechanischer Systeme – eines einzelnen Photons und eines einzelnen Atoms – nachzuweisen. Daher muss ein Weg gefunden werden, einen solchen verschränkten Zustand zu erzeugen und die Verschränkung experimentell nachzuweisen. Wir erzeugen Verschränkung zwischen dem Spin-Zustand eines Atoms und der Polarisation eines vom Atom emittierten Photons. Um die Verschränkung nachzuweisen, müssen wir die Bell-Ungleichung für die Quantenzahlen der verschränkten Teilchen überprüfen. Das bedeutet, dass wir Polarisationsmessungen am Einzelphotonen und zustandsselektive Messungen (Spinmessungen) am Einzelatom durchführen müssen. Der schwierige Teil beim Nachweis der Verschränkung ist die zustandsselektive Messung. Sie besteht aus einem zustandsselektiven Transfer zur Auswahl der Messbasis und einer abschließenden Zustandsdetektion. Der zustandsselektive Transfer überträgt eine ausgewählte Überlagerung der Atomzustände (der Atomspin der beiden Zustände ist unterschiedlich, die Energien sind jedoch entartet) auf einen zweiten, in der Energie unterscheidbaren Zustand. Für die abschließende Zustandsmessung wird eine Projektionsmessung auf die beiden Niveaus (Hyperfeinzustände) durchgeführt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden Lasersysteme für den zustandsselektiven Transfer aufgebaut. Dieser zustandsselektive Transfer wird durch einen adiabatischen Populationsovertragungsprozess realisiert. Um den Einfluss verschiedener experimenteller Parameter abzuschätzen, werden numerische Berechnungen auf der Grundlage eines Dreistufenmodells durchgeführt. Die Parameter des gewählten Aufbaus entsprechen den berechneten Anforderungen für einen adiabatischen Transfer. Für die Messung der Hyperfeinzustände des Atoms ist es notwendig, Atome in zwei verschiedenen Energieniveaus zu unterscheiden. Es ist möglich, Fluoreszenzlicht von einem Atom zu beobachten, wenn die Wellenlänge des Lichts zu einem atomaren Übergang passt. Ein Ansatz zur Detektion von Atomen in einem bestimmten Energieniveau besteht daher darin, das Fluoreszenzlicht von Atomen in einem der beiden Zustände zu beobachten. Ein weiterer möglicher Weg besteht darin, einem Atom, das mit einem angelegten Lichtfeld in Resonanz steht, genügend Impuls zu übertragen, um das Atom aus der Falle zu befördern, wenn es sich in einem bestimmten Zustand befindet, und es andernfalls in der Falle zu belassen. Durch eine anschließende Detektion des Atoms sollte es möglich sein, die Energiezustände zu unterscheiden. Die Ergebnisse von Testmessungen zu diesen beiden Ansätzen werden in dieser Arbeit vorgestellt.