MassQ - Quantenphysik massiver Objekte
ERC-Förderung 2014 - 2020
Derzeit existieren zwei fundamentale Theorien, die unsere Welt sehr erfolgreich beschreiben: Mithilfe der Quantentheorie lässt sich z.B. sehr genau vorhersagen, wie Licht von Atomen absorbiert bzw. abgestrahlt wird. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Gravitationskraft, also der Kraft, die von Massen ausgeht und z.B. die Bewegung der Planeten, Galaxien und schwarzen Löchern bestimmt.
Eine Herausforderung der Physik ist es, diese beiden Theorien zu einer gemeinsamen Theorie zusammenzufassen. Wir glauben, dass dafür Experimente hilfreich sein werden, in denen sowohl Gravitation als auch Quantenmechanik eine Rolle spielen. Das Ziel von MassQ ist, als erstes Experiment die Bewegung zweier schwerer Spiegel quantenmechanisch zu verschränken. Die Spiegel sind so schwer, dass im Prinzip auch deren Gravitationskräfte zu beobachten sind. Das geplante Experiment könnte überraschende Beobachtungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie liefern.
This project received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 339897 (2014-2020).
Verschränkung zweier Spiegel
Das Experiment nutzt Techniken, wie sie für Gravitationswellendetektoren entwickelt worden sind. Zwei ca. 100 Gramm schwere Spiegel werden an dünnen Fasern als Pendel aufgehängt, damit sie ungestört von der Umgebung frei schwingen können. Laserlicht wird an einem Strahlteiler aufgeteilt, anschließend von den Spiegeln reflektiert und danach wieder überlagert, d.h. zur Interferenz gebracht. Die Intensitäten an beiden Ausgängen dieses Laserinterferometers werden mit Photodioden ausgelesen. Dadurch werden kontinuierlich zwei präzise Messungen vorgenommen: ein balancierter Homodyn-Detektor misst die Differenz der Abstände zum Strahlteiler; ein zweiter misst die Summe der Spiegelgeschwindigkeiten (in Form von Abstandsänderung mit der Zeit).
Wichtig ist nun, dass eine Lichtintensität verwendet wird, die so hoch ist, dass die quantenmechanische Unschärfe des Lichtdrucks die Spiegelbewegung beeinflusst. In diesem Fall werden die Bewegungen der beiden Spiegel miteinander verschränkt. Ziel von MassQ ist es, anhand der Orte und der Geschwindigkeiten der beiden Spiegel das sogenannten Einstein-Podolsky-Rosen Paradoxon zu demonstrieren. Dafür müssen wir zeigen, dass die Orte und Geschwindigkeiten der Spiegel relativ zu einander sehr gut definiert sind, aber in Bezug zu unserem Labortisch die individuellen Spiegel sehr hohe Orts- und Geschwindigkeitsunschärfen haben.
Messungen an einem Spiegel
Die erste Projektphase sieht vor, Messungen an einem einzelnen Spiegel mit einer Masse von 100 g durchzuführen. Ziel ist es, einen quantenmechanisch limitierten Bewegungszustand zu realisieren, z.B. einen sogenannten kohärenten Zustand oder einen Zustand mit gequetschtem Quantenrauschen. Um eine zu schnelle Dekohärenz dieses Zustands zu vermeiden, müssen der Spiegel und das Interferometer so gut wie möglich von der Umwelt entkoppelt werden.
Dafür werden sowohl der Spiegel als auch das Interferometer an dünnen Wolfram-Drähten aufgehängt. Diese Pendel haben eine Eigenfrequenz von etwa einem Hertz. Die Schwingungsmode soll parametrisch gedämpft werden, d.h. die Höhe des Aufhängepunkts wird mit der doppelten Pendelfrequenz so variiert, dass mit jeder Schwingung dem Pendel etwas Energie entzogen wird („feedback cooling“).
Aus diesem Stück hochreinen Saphirs werden drei quadratische Testmassen für MassQ gefertigt. Die quadratische Form verspricht aufgrund der scharfen Kanten geringere Verluste durch die Pendelaufhängung als runde Substrate.
Aus praktischen Gründen kann zwar das Pendel auf diese Art nicht in den quantenmechanischen Grundzustand gebracht werden, aber seine Oberschwingungen bei ca. 300 Hz schon. Es soll beobachtet werden, wie der Zustand dieser Oberschwingung quasi heisenberg-limitiert durch den Phasenraum propagiert – getrieben durch die restliche Kopplung an das thermische Bad.
Vorarbeiten
MassQ greift auf vielfältige Vorarbeiten im Kontext von Gravitationswellendetektoren zurück. Mit direktem Bezug zu MassQ wurde in unserer Arbeitsgruppe das Michelson-Sagnac-Interferometer und seine optomechanische Kopplung bereits mit einer Membran (an der Stelle des Substrats) bei kryogenen Temperaturen sowohl mit kohärenten als auch mit gequetschten Lichtzuständen studiert.
Die parametrische Kühlung eines Pendels wird gerade in einem separaten Experiment im Rahmen einer Masterarbeit untersucht und optimiert. Parallel werden in unserer Arbeitsgruppe neue Spiegelbeschichtungen theoretisch und experimentell untersucht, die ein geringeres Brownsches Rauschen versprechen.
