Schnittstelle Quanten und Gravitation
Phänomene, bei denen sowohl die Quantenmechanik als auch die Gravitation eine wichtige Rolle spielen, werden im Rahmen der folgenden drei Forschungslinien untersucht:
Neuartige Atominterferometer für den Nachweis dunkler Materie, Gravitationsantennen und die Erdbeobachtung
Die derzeit genauesten Uhren basieren auf atomaren Übergängen im optischen Bereich. Andererseits verwenden einige der besten Inertialsensoren Atominterferometer, die sich die Wellennatur von Quantenteilchen zunutze machen und bei denen Laserpulse, die als Beugungsgitter wirken, atomare Wellenpakete aufspalten, umlenken und rekombinieren. Eine neue Art von Atominterferometer kombiniert beide Aspekte und verwendet Laserpulse, die den Übergang zwischen den beiden Uhrzuständen antreiben, um die atomaren Wellenpakete zu beugen. Instrumente, die auf solchen Interferometern basieren, können für die Suche nach ultraleichter dunkler Materie, die Erdbeobachtung und die Detektion von Gravitationswellen eingesetzt werden.
Atomlinsen für Bose-Einstein-Kondensate und Mischungen ultrakalter Atome
Um die beispiellosen Empfindlichkeiten der Atominterferometrie mit langen Interferometerzeiten voll ausschöpfen zu können, müssen langsam expandierende Atomwolken mit sehr schmalen Geschwindigkeitsverteilungen verwendet werden, die effektiven Temperaturen im Picokelvin-Bereich entsprechen. Dies kann durch die Kombination von Bose-Einstein-Kondensaten mit atomaren Linsentechniken erreicht werden, die die Expansionsrate atomarer Wellenpakete verringern können, analog zur Kollimation der Divergenz eines Lichtstrahls entlang seiner Ausbreitungsrichtung durch normale Linsen.
Relativistische Quanteninformation
In diesem Bereich werden allgemeine relativistische Effekte auf Quantenzustände des Lichts wie Einzelphotonenzustände und verschränkte Photonenpaare untersucht. Besonderes Augenmerk liegt auf Experimenten mit Laserlinks zu Raumfahrzeugen in niedrigen Erdumlaufbahnen, wie der ISS, aber auch in höheren Umlaufbahnen oder sogar zum künftigen Lunar Gateway, das den Mond umkreisen soll. Solche Quantenlinks über lange Basislinien werden Bell-Tests und Quantenteleportation in Bereichen ermöglichen, in denen die Auswirkungen der Raumzeitkrümmung nicht vernachlässigbar sind. Darüber hinaus entwickeln wir Verfahren zur Messung der Gravitationsrotverschiebung mit optischen Interferometern, für die es kein klassisches Analogon gibt.