Casimir-Polder interaction of neutrons with metal or dielectric surfaces

We predict a repulsive Casimir-Polder-type dispersion interaction between a single neutron and a metal or dielectric surface. Our model scenario assumes a single neutron subject to an external magnetic field. Due to its intrinsic magnetic moment, the neutron then forms a magnetisable two-level system which can exchange virtual photons with a nearby surface. The resulting dispersion interaction between a purely magnetic object (neutron) and a purely electric one (surface) is found to be repulsive. Its magnitude is considerably smaller than than the standard atom-surface Casimir-Polder force due to the magnetic nature of the interaction and the smallness of the electron-to-neutron mass ratio. Nevertheless, we show that it can be comparable to the gravitational potential of the same surface.Comment: 5 pages, 3 figure

Heralded generation of entangled photon pairs

Entangled photons are a crucial resource for quantum communication and linear optical quantum computation. Unfortunately, the applicability of many photon-based schemes is limited due to the stochastic character of the photon sources. Therefore, a worldwide effort has focused in overcoming the limitation of probabilistic emission by generating two-photon entangled states conditioned on the detection of auxiliary photons. Here we present the first heralded generation of photon states that are maximally entangled in polarization with linear optics and standard photon detection from spontaneous parametric down-conversion. We utilize the down-conversion state corresponding to the generation of three photon pairs, where the coincident detection of four auxiliary photons unambiguously heralds the successful preparation of the entangled state. This controlled generation of entangled photon states is a significant step towards the applicability of a linear optics quantum network, in particular for entanglement swapping, quantum teleportation, quantum cryptography and scalable approaches towards photonics-based quantum computing

Experimental realisation and investigation of a six-photon symmetric Dicke state

Zsfassung in dt. SpracheDerzeit können Quantensysteme nur bis zu bestimmten Größen und Komplexitäten beherrscht werden. Der Übergang zu höherdimensionalen und Mehrteilchen-Systemen ist ein notwendiger und herausfordernder Schritt für Anwendungen. Das in dieser Arbeit präsentierte und auf linearer Optik basierende Experiment erlaubt die Generierung von Sechs-Photonen Dicke Zuständen. Der Aufbau erwies sich während der gesamten Meßdauer als außerordentlich stabil.Aus den Meßergebnissen konnte der Überlapp (Fidelity) mit den gewünschten Zuständen bestimmt, sowie deren Verschränkung (engl.: genuine multipartite entanglement oder kurz GME) nachgewiesen werden.Darüberhinaus konnte gezeigt werden, dass dieser verschränkte Dicke Zustand als Ressource für kleinere, aber komplett unterschiedliche verschränkte Zustände dienen kann.Neben einer ausführlichen Beschreibung des Aufbaues und der Charakterisierung wird der Einfluß von unvermeidbaren höheren Ordnungen auf diverse Meßgrößen betrachtet.Auch die Anwendbarkeit für die verschiedensten Quantenprotokolle, insbesondere für Quantennetzwerke wird gezeigt. Diese Protokolle sind Geheimnisteilung (Quantum Secret Sharing), Quantenteleklonen und Offene Quantenteleportation.Today quantum systems can be controlled and worked with as long as the complexity in terms of particle numbers and their interactions is limited. Going to higher particle and qubit numbers is an essential and challenging step to overcome in the future. In this work an all-optical linear experiment for producing a six-photon Dicke state is presented, which proved to be extremely stable over time, as well as useful applications of it. Besides proving general multipartite entanglement and obtaining the state fidelity it was shown how to use this as a flexible resource for lower-dimensional entangled states, giving one the freedom to navigate through lower-dimensional state space.Besides giving a detailed description, an extensive analysis of the setup was done where special focus was put on the aspects of higher-order emissions and their effects on various key characterisations like fidelity and visibility.It was furthermore demonstrated that this six-photon state proves very useful for different quantum protocols such as quantum secret sharing, quantum telecloning and open-destination teleportation, again for a high number of involved parties.8

Frequency measurements testing Newton's Gravity Law with the Rabi-qBounce experiment

Zusammenfassung in deutscher SpracheIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aufbau zur Gravitations-Resonanz-Spektroskopie realisiert, um Newtons Gravitationsgesetz bei kleinen Abständen zu überprüfen. Mit dem Aufbau können gravitativ gebundene, diskrete Zustände ultrakalter Neutronen studiert werden, die sich oberhalb eines Neutronenspiegels im Gravitationsfeld der Erde ausbilden. Die Zustände haben Eigenenergien, welche im pico-eV Bereich liegen und nur von der lokalen Erdbeschleunigung, der Neutronenmasse sowie der Plankschen Konstante abhängig sind. Gravitations-Resonanz-Spektroskopie ist eine neue Form der Spektroskopie, welche keine elektromagnetische Wechselwirkungen verwendet. Der neue Aufbau, angepasst an die Gravitation, basiert auf Rabis Methode zur Messung von Energiedifferenzen einzelner Quantenzustände. In dieser Arbeit wurden resonante Übergänge zwischen den Zuständen durch kontrollierte mechanische Oszillationen der Randbedingung mit variabler Stärke und Frequenz induziert. Der Aufbau besteht erstmals aus drei verschiedenen Regionen, wobei in der Wechselwirkungsregion auf einen oberen Spiegel verzichtet werden konnte, was ungestörte und damit systematisch reinere Zustände ermöglicht. Gleichzeitig konnte die Wechselwirkungszeit deutlich vergrößert werden, was sich in schmäleren Übergangen manifestiert. Mit diesem Aufbau konnte der Übergang zwischen dem Grund- und dem dritten Zustand sowie erstmals zwischen dem Grund- und dem vierten Zustand angeregt und mit einer Energiedifferenz Delta E13 = h*((464.1+1.1-1.2) Hz) bzw. Delta E14= h*((648.8+1.5-1.6) Hz) beobachtet werden. Zum ersten Mal konnte auch die ursprüngliche Zustandsbesetzung bei Resonanz wieder hergestellt werden, nämlich bei dem Übergang zwischen Grund- und drittem Zustand. Dabei wurde keine Dekohärenz der Zustande beobachtet. Da die Wellenfunktionen als Lösungen der Schrödingergleichung für das lineare Gravitationspotential eine vertikale Ausdehnung von einigen dutzend Mikrometern haben, ist das System äußert sensitiv auf Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz bei diesen Längenskalen. Zahlreiche theoretische Modelle, welche das Standard Modell der Teilchenphysik erweitern sollen, sowie Dunkle Materie und Dunkle Energie erklären wollen, sagen solche Abweichungen vorher. Mit dem hier präsentierten Aufbau konnten Grenzen für die Existenz eines neuen Skalarfeldes abgeleitet werden. Dieses sogenannte Chamäleon-Feld wurde eingeführt, um Dunkle Energie zu erklären. Seine Existenz würde die Energieniveaus der Gravitationszustände und damit der Übergangsfrequenzen in bestimmter Weise beeinflussen. Des weiteren wurden generische Abweichungen untersucht, welche durch Kräfte mit einer Yukawa-artigen Wechselwirkung herrühren. Da neue Kräfte sehr wahrscheinlich das Einsteinsche Äquivalenzprinzip verletzen, wird das Experiment auch als Test des universellen freien Falls betrachtet. Der neue, verfeinerte Aufbau, basierend auf Rabi Spektroskopie, besteht aus drei verschiedenen Regionen, wobei in der Wechselwirkungsregion auf einen oberen Spiegel verzichtet werden konnte, was ungestörte und damit systematisch reinere Zustände ermöglicht. Gleichzeitig konnte die Wechselwirkungszeit deutlich vergrößert werden, was sich in schmäleren Übergangen manifestiert. Mit diesem Aufbau konnte der Übergang zwischen dem Grund- und dem dritten Zustand, sowie erstmals zwischen dem Grund- und dem vierten Zustand angeregt und beobachtet werden. Zum ersten Mal konnte auch die ursprüngliche Zustandsbesetzung bei Resonanz wieder hergestellt werden, nämlich bei dem Übergang zwischen Grund- und drittem Zustand. Da die Wellenfunktionen eine vertikale Ausdehnung von einigen dutzend Mikrometern haben, ist das System äußert sensitiv auf Abweichungen von Newtons Gravitationsgesetz bei diesen Längenskalen. Zahlreiche theoretische Modelle, welche das Standard Modell der Teilchenphysik erweitern sollen, sowie Dunkle Materie und Dunkle Energie erklären wollen, sagen solche Abweichungen vorher. Mit dem hier präsentierten Aufbau konnten Grenzen für die Existenz eines neuen Skalarfeldes abgeleitet werden. Dieses sogenannte Chamäleon-Feld wurde eingeführt, um Dunkle Energie zu erklären. Seine Existenz würde die Energieniveaus der Gravitationszustände und damit der Übergangsfrequenzen in bestimmter Weise beeinflussen. Des weiteren wurden generische Abweichungen untersucht, welche durch Kräfte mit einer Yukawa-artigen Wechselwirkung herrühren. Da neue Kräfte sehr wahrscheinlich das Einsteinsche Äquivalenzprinzip verletzen, wird das Experiment auch als Test des universellen freien Falls betrachtet.In this thesis a new experiment for Gravity Resonance Spectroscopy is presented to study Newton's inverse square law of gravitation at short distances. It allows to observe the gravitationally bound discrete states of ultra-cold neutrons, which they form when confined above a mirror in the gravity potential of the Earth. The eigen energies, which are in the pico-eV range, are functions of the local acceleration, the neutron mass and the Planck's constant. Gravity Resonance Spectroscopy is a new form of spectroscopy, which does not use electromagnetic interaction. The new setup, adapted for gravitation, is based on Rabi's method gives access to the energy differences of quantum states by measuring the transition frequencies upon which resonant excitation occurs. In this case, the excitations are driven by controlled mechanical oscillations of the boundary conditions with variable strength and frequency imposed by the confining neutron mirror. For the first time the Rabi-like setup features three distinct regions without an additional mirror on top in the interaction region, allowing for an undisturbed and hence systematically well-defined wave function. Additionally the interaction time could be significantly increased, which leads to narrower transitions. The experimental techniques for the new kind of setup with increased complexity were refined and implemented. These include alignment measurements and assessment as well as oscillation control and confinement. With this setup, transitions between the ground and the third gravitational state and for the first time between the ground and the fourth state were excited and observed with an energy difference of Delta E13 = h*((464.1+1.1-1.2) Hz) and Delta E14= h*((648.8+1.5-1.6) Hz) Also for the first time, a full state reversal could be induced and observed namely for the transition between the ground and third state. No decoherence of the states was observed. The wave functions have a vertical size of a few dozens of microns, and the system is sensitive to any deviations from Newton's inverse square law at these distances. Sources of such hypothetical deviations are an active field of research as they might give access to new extensions of the standard model of particle physics and explain the matter and energy content of the universe. With this setup, limits on chameleon fields, a new scalar field, which is considered as an attractive dark energy candidate, could be derived. Its existence would lead to energy shifts of the gravitational states, which have a clear signature in the transition frequencies. Also, generic deviations in form of forces with a Yukawa-like interaction potential are studied. As any new force is likely to violate the Einstein equivalence principle, the experiment can be interpreted as a universally free-fall test.9

Testing gravity at short distances: Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce

International audienceNeutrons are the ideal probes to test gravity at short distances – electrically neutral and only hardly polarizable. Furthermore, very slow, so-called ultracold neutrons form bound quantum states in the gravity potential of the Earth. This allows combining gravity experiments at short distances with powerful resonance spectroscopy techniques, as well as tests of the interplay between gravity and quantum mechanics. In the last decade, the qBounce collaboration has been performing several measurement campaigns at the ultracold and very cold neutron facility PF2 at the Institut Laue-Langevin. A new spectroscopy technique, Gravity Resonance Spectroscopy, was developed. The results were applied to test various Dark Energy and Dark Matter scenarios in the lab, like Axions, Chameleons and Symmetrons. This article reviews Gravity Resonance Spectroscopy, explains its key technology and summarizes the results obtained during the past decade

Testing gravity at short distances: Gravity Resonance Spectroscopy with qBounce

Neutrons are the ideal probes to test gravity at short distances – electrically neutral and only hardly polarizable. Furthermore, very slow, so-called ultracold neutrons form bound quantum states in the gravity potential of the Earth. This allows combining gravity experiments at short distances with powerful resonance spectroscopy techniques, as well as tests of the interplay between gravity and quantum mechanics. In the last decade, the qBounce collaboration has been performing several measurement campaigns at the ultracold and very cold neutron facility PF2 at the Institut Laue-Langevin. A new spectroscopy technique, Gravity Resonance Spectroscopy, was developed. The results were applied to test various Dark Energy and Dark Matter scenarios in the lab, like Axions, Chameleons and Symmetrons. This article reviews Gravity Resonance Spectroscopy, explains its key technology and summarizes the results obtained during the past decade

Acoustic Rabi oscillations between gravitational quantum states and impact on symmetron dark energy

International audienceThe standard model of cosmology provides a robust description of the evolution of the Universe. Nevertheless, the small magnitude of the vacuum energy is troubling from a theoretical point of view 9 . An appealing resolution to this problem is to introduce additional scalar fields. However, these have so far escaped experimental detection, suggesting some kind of screening mechanism may be at play. Although extensive exclusion regions in parameter space have been established for one screening candidate—chameleon fields 10$^{,}$17 —another natural screening mechanism based on spontaneous symmetry breaking has also been proposed, in the form of symmetrons 11 . Such fields would change the energy of quantum states of ultracold neutrons in the gravitational potential of the Earth. Here, we demonstrate a spectroscopic approach based on the Rabi resonance method that probes these quantum states with a resolution of ΔE =2 × 10$^{−15}$ eV. This allows us to exclude the symmetron as the origin of dark energy for a large volume of the three-dimensional parameter space