Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Doi
Abstract
Entangled ensembles have been created in versatile atomic systems
and find a promising application in entanglement-enhanced metrology.
Here, entangled spin-states have been successfully applied within
interferometers that allow to measure magnetic fields and frequencies
with enhanced sensitivities. In contrast, atom interferometers for the
measurement of inertial forces and gravitational fields are operated in
external degrees of freedom and span an area in space-time. To make
use of entangled states here, the entanglement has to be generated
among momentum modes with suitable spatial extent and velocity
width.
In this thesis, a source of momentum-entangled atoms that is compatible
with present-day light-pulse atom interferometers is presented.
Utilising a quasi-adiabatic ramp through a quantum phase transition,
highly-entangled twin-Fock states are created in the internal spindegree
of freedom of a 87Rb Bose-Einstein condensate. Hereon, the
entanglement is successfully transferred to distinct momentum-modes
by a stimulated Raman coupling and verified by the direct measurement
of an entanglement criterion. The observed mode quality and
the residual expansion demonstrate that this entangled source is wellsuited
to the successive application in light-pulse atom interferometers
and opens up a path to gravimetry beyond the standard quantum
limit. Furthermore could the demonstrated techniques be employed
to realise a scalable atomic Bell test. In the long run, similar entangled
sources could specifically enhance the performance of gravity
gradiometers, tests of the Einstein Equivalence Principle and future
atomic gravitational wave detectors.Verschränkte Zustände wurden in vielen atomaren Systemen erzeugt
und finden ein aussichtsreiche Anwendung in der verschränkungsgestützten
Metrologie. Hier wurden verschränkte Spinzustände erfolgreich
in Interferometern eingesetzt, mit denen Magnetfelder und
Frequenzen mit erhöhter Empfindlichkeit gemessen werden können.
Im Gegensatz dazu werden Atominterferometer zur Messung von
Beschleunigungen und Gravitationsfeldern in externen Freiheitsgraden
betrieben und spannen eine Fläche in der Raumzeit auf. Um hier
verschränkte Zustände nutzen zu können, muss die Verschränkung
zwischen Impulszuständen mit geeigneter räumlicher Ausdehnung
und Geschwindigkeitsbreite erzeugt werden.
In dieser Arbeit wird eine Quelle für impulsverschränkte Atome
vorgestellt, die mit heutigen Atominterferometern kompatibel ist.
Unter Verwendung einer quasi-adiabatischen Rampe durch einen
Quantenphasenübergang werden hochverschränkte Zwillings-Fock-
Zustände im inneren Spin-Freiheitsgrad eines 87Rb Bose-Einstein-
Kondensats erzeugt. Die Verschränkung wird durch eine stimulierte
Raman-Kopplung erfolgreich in den Impulsraum übertragen und
durch die direkte Messung eines Verschränkungskriteriums verifiziert.
Die beobachtete Modenqualität und die Restexpansion zeigen, dass
sich diese verschränkte Quelle gut für die sukzessive Anwendung in
Atominterferometern eignet und einen Weg zur Gravimetrie jenseits
des Standard-Quantenlimits eröffnet. Darüber hinaus könnten die aufgezeigten
Techniken zur Durchführung eines skalierbaren atomaren
Bell Tests eingesetzt werden. Langfristig könnten ähnliche verschränkte
Quellen insbesondere die Leistung von Gravitationsgradiometern,
Tests des Einsteinschen Äquivalenzprinzips und zukünftigen atomaren
Gravitationswellendetektoren verbessern
