Quantenmessungen in ultrakalten Atomen
Atomchips sind vergleichbar mit winzigen Toolboxen für Experimente, mit denen die Welt der Quanten zu entdecken ist. Ein Halbleiterchip manipuliert die Elektronen, die in seinem Inneren bewegen, ein Atomchip hingegen fängt, manipuliert und misst die Atome, die in mikroskopisch kleiner Entfernung außerhalb von diesem in einem Ultrahochvakuum schweben. Durch solche Chips eingefangene Atome können auf eine Weise unterkühlt werden, dass deren Position und Geschwindigkeit kontrollierbar werden. Diese ultrakalten Atome, die Teil ultrakalter Gase sind, werden in zahlreichen Experimenten angewandt, mit denen die Quanteninformationsverarbeitung und Quantenmetrologie erforscht werden, wobei Quantenverfahren angewandt werden sollen, um die statistische Genauigkeit der Messungen zu erhöhen. Europäische Forscher initiierten das SRAFI-Projekt ("Spatially resolved atom fluorescence imaging"), um ein neuartiges Fluoreszenz-Bildgebungsverfahren anzuwenden, das die Visualisierung einzelner Atome bei der Untersuchung von Dichteschwankungen in Bose-Gasen ermöglicht. Erste Untersuchungen konzentrierten sich auf die erfolgreiche Umsetzung des Einzelatomdetektors auf Grundlage der Erfassung von Photonen, die an den Atomen gestreut werden, wenn sie eine dünne Lichtfläche in ihrer Flugbahn kreuzen. Im Folgenden nutzte das SRAFI-Team die Nachweismethode, um entartete quasi-eindimensionale (1D) Bose-Gase zu erforschen. Bose-Gase sind aus Bosonen bestehende Gase, die einen neuen Materiezustand - Bose-Einstein-Kondensate - bilden, wenn sie auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden. Deren Entartung bezieht sich auf ein Verschwinden der Korrelation, die normalerweise zwischen dem wahrscheinlichen Aufenthaltsort eines speziellen Teilchens in dem Gas in Bezug auf die Lage eines anderen Teilchens zu beobachten ist. Die Positionen werden sozusagen unkorreliert. Die Wissenschaftler untersuchten sowohl Dichteschwankungen während der Flugzeit, nachdem kalte Atome der eindimensionalen Bose-Gase aus dem Atom-Chip gelöst wurden, sowie Kollisionsrelaxationsprozesse, wobei letztere für Einblicke in Energie und Impulse in der Quantenoptik sorgten. Dem Team gelang die genaue Messung der Kopplungsenergie sogenannter eindimensionaler bosonischer Josephson-Kontakte für ultrakalte Gase, die im Allgemeinen ziemlich schwierig im Experiment zu messen ist. Die Resultate des SRAFI-Projekts tragen zum Verständnis des Themenbereichs Quanten und Materie bei - mögliche zukünftige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung sind abzusehen.
