Quantenmetrologie in optischen Gittern mit Auflösung einzelner Spins

01.04.2021 bis 31.03.2025

Ziel dieses Projektes ist die Realisierung von zustandsaufgelöster Abbildung einzelner Atome in zweidimensionalen optischen Gittern und die Anwendung dieser Technologie zur Quantenmetrologie. Die Detektionsmethode wird auf einer Quanten-Spin-Pumpe basieren, die einen robusten, topologisch geschützten Transport und die Trennung der beiden Zustände erlaubt. Damit wird eine vollständige Detektion der atomaren Qubits möglich, eine fundamentale Voraussetzung für präzise Quantensimulation und Quanteninformation. Die entwickelte Methode wird generell auf zweidimensionale optische Gittersysteme anwendbar sein, insbesondere auch für Erdalkaliatome, auf denen moderne optische Uhren basieren. Letztes setzt diesen Antrag in Kontext zu einem Antrag auf eine Heisenberg Professur in Tübingen. Dort wird gerade in Zusammenarbeit mir Partnern aus Japan eine kontinuierliche und kompakte optische Uhr entwickelt. Längerfristig wird es möglich sein die hier entwickelten Techniken mit dieser Uhr zu kombinieren. Zustandsaufgelöste Detektion einzelner Atome, und damit die Detektion der Parität der Magnetisierung, ist notwendig um maximal verschränkte Zustände zu nutzen, die eine Messgenauigkeit an der Heisenberg Grenze ermöglichen. Sogenannte "one-axis-twisting dynamics" erzeugt gequetschte Spin Zustände auf kurzen Zeitskalen, führt in der weiteren Dynamik aber auch zur Produktion maximal verschränkter NOON Zustände. Die geschieht genau bei der halben Zeit, nach der die komplette Magnetisierung ein sog. Revival zeigt, d.h. nach anfänglichem Zerfall wiederkehrt. Zu anderen Zeiten werden komplexe nicht-gausssche Zustände erzeugt, deren Charakterisierung schwierig ist. Hier verspricht lokale Auflösung der einzelnen Atome neue Erkenntnisse, da das System nun nicht nur durch globale, sondern auch durch lokale Observablen und Vielpunktkorrelatoren charakterisiert werden kann.Im diesem Antrag schlage ich vor "one-axis-twisting dynamics" durch langreichweitige Wechselwirkungen zwischen zehn bis hundert Atomen im optischen Gitter zu indizieren. Die Wechselwirkung wird hierbei durch nah-resonante Laserkopplung an Rydberg Zustände kontrolliert (sog. Rydberg dressing). In einem ähnlichen Experiment haben wir kürzlich Kohärenzzeiten beobachtet, die 100 mal länger waren, als die von der Wechselwirkung vorgegebene Zeitskala. Für die Erzeugung von gequetschten Zuständen wird nur 1/10 der Wechselwirkungszeitskala benötigt. Daher scheint die Erzeugung von NOON Zuständen in diesem System realistisch. Wir werden desweiteren mögliche Schemata entwickeln um ein Loschmidt Echo zu implementieren, was die Voraussetzung für Quantenmetrologie basierend auf generellen verschränkten Quantenzuständen ist.