XHVpressure

Ausgangssituation / Motivation

In den letzten Jahren hat sich die technologische Bereitschaft vieler Quantentechnologien bedeutend erhöht, und es gab ein steigendes Interesse daran, aus diesen neuen Technologien einen Vorteil für Anwendungen im Weltraum zu gewinnen. Einige Beispiele sind die mögliche Quantenverschlüsselung über globale Distanzen hinweg, Tests der Quantenverschränkung über große Distanzen und die mögliche weitere Verbesserung der Sensitivität von Hochpräzisions-messungen. Zudem bietet der Weltraum eine einzigartige Umgebung für Tests der Grundlagen der Quantenphysik. Eine vielversprechende Quantentechnologie für hochpräzise Messungen sowie für fundamentale Tests ist die Quantenoptomechanik. Dabei betreibt man massive mechanische Resonatoren im Quantenregime – also im Regime nicht-klassischer Zustände

Eine der zentralen Herausforderungen bei solchen Experimenten ist es, das Quantensystem von störenden Wechselwirkungen mit der Umgebung (Dekohärenz) zu isolieren. Zu diesem Zweck hat man vorgeschlagen, statt fest verankerter mechanischer Oscillatoren optisch gefangene dielektrische Kugeln zu verwenden.

Dieser Zugang ist die Grundlage des MAQRO Proposals, welches Quantenoptomechanik und Materiewelleninterferometrie mit hohen Massen verwenden will, um die Grundlagen der Quantenphysik zu testen. Selbst in diesem Fall kann das Quantensystem auf vielfältige Weise dekohärieren. Eine zentrale Limitierung sind Stöße mit Gas/Plasma Teilchen. Aus diesem Grund würden makroskopische Quantenexperimente wie MAQRO ein extrem hohes Vakuum (XHV) benötigen – idealerweise <=1e-15mbar. Abgesehen von der Herausforderung, XHV im Weltraum zu erreichen, ist es keine triviale Aufgabe, solche Vakuumniveaus zu messen.

Experimente haben einen steigenden Grad der Kontrolle über solche Systeme erreicht. Vor kurzem wurde die Schwerpunktsbewegung eines optisch gefangenen Teilchens zum ersten Mal in den Quantengrundzustand gekühlt. Falls man die Schwerpunktsbewegung ausreichend kühlt, kann selbst eine einzelne Kollision mit einem Gasteilchen einen merklichen Effekt haben und die Besetzungszahl des Oscillators erhöhen, der die Schwerpunktsbewegung der Kugel beschreibt.

Derzeitige experimentelle Realisierungen optomechanischer Systeme mit optisch gefangenen Teilchen sind bereits jetzt nahe an dem nötigen Grad an Kontrolle, um einzelne Zusammenstöße mit Gasteilchen auflösen zu können.

Inhalte und Zielsetzungen

Das vorliegende Proposal hat zum Ziel, diese Möglichkeit auszunutzen, um eine grundlegende Demonstration eines XHV-Sensors zu umzusetzen. Wir werden untersuchen, wie der Sensor auf Gaskollisionen reagiert, während wir den Druck von moderaltem, zu ultrahohem und dann zu extremem Vakuum verringern.Unser Sensor sollte es ermöglichen, die Vakuumdrücke aufzulösen, die für makroskopische Quantenexperimente nötig sind.

Erwartete Ergebnisse

In diesem Projekt werden wir großes Augenmerk darauf legen, dass unser Sensor in Zukunft für die Verwendung im Weltraum adaptiert werden kann. Abgesehen von seinem Nutzen für makroskopische Quantenexperimente hat ein zuverlässiger, weltraumtauglicher Sensor für extrem hohes Vakuum im Weltraum potentielle Anwendungen in anderen Bereichen. Beispiele sind die Erdbeobachtung, die Beobachtung des Weltraumwetters oder die Charakterisierung von Weltraumbedingungen.

Projektleitung

Österreichische Akademie der Wissenschaften - Institut für Quantenoptik und Quanteninformation

Österreichische Akademie der Wissenschaften
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Dr. Rainer Kaltenbaek
Boltzmanngasse 3
A-1090 Wien