Eine der zentralen Herausforderungen der theoretischen Physik ist es, die beiden fundamentalen Theorien – die der Quantenmechanik und die der allgemeinen Relativitätstheorie – zu vereinen. Eine Lösung dieses Problems kann nur durch Experimente oder Beobachtungen an der Schnittstelle der beiden Theorien erreicht werden. Zusätzlich verstärkt das Rennen um die Entwicklung weltraumgestützter Quantentechnologien, bei denen Quantenressourcen lokal erzeugt und untersucht werden oder über Tausende von Kilometern durch das inhomogene Gravitationsfeld der Erde ausgetauscht werden, die Notwendigkeit, den Einfluss allgemeiner relativistischer Effekte auf Quantenressourcen auch aus praktischer Sicht zu verstehen.
Ein Beispiel für einen interessanten fundamentalen Effekt an der Schnittstelle von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie ist die Erzeugung von Verschränkung zwischen der internen Energiestruktur eines Quantensystems und seinen externen (Bewegungs-)Freiheitsgraden aufgrund von gravitativer Zeitdilatation oder Rotverschiebung. Es existieren bereits Vorschläge für die Beobachtung dieser Verschränkungsdynamik aufgrund der Schwerkraft in der Atominterferometrie, bei einzelnen Photonen in der Mach-Zehnder-Interferometrie, bei Photonenpaaren in der Hong-Ou-Mandel-Interferometrie und bei Phononen in Bose-Einstein-Kondensaten.
QuantumFrontiers-Forschende des Bremer Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation haben nun die Verschränkungsdynamik von Photonen und Quantenspeichern aufgrund der Schwerkraft in Mach-Zehnder- und Hong-Ou-Mandel-Interferometern untersucht. Sie präsentieren einen experimentellen Ansatz sowie eine Machbarkeitsstudie, um den Effekt in Hong-Ou-Mandel-Experimenten zu beobachten, deren notwendige räumliche Ausdehnung wesentlich geringer ist als die der vorgeschlagenen Experimente, die nur Photonen verwenden. Ein solches Experiment würde einen experimentellen Test der theoretischen Modellierung darstellen, die einen von der Quantentheorie des Lichts vorhergesagten Mehrteilcheneffekt mit einem von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Effekt kombiniert.
Der im Fachmagazin Quantum veröffentlichte Artikel stellt auf der angewandten Seite zudem die erste Analyse relativistischer Gravitationseffekte auf weltraumbasierte Quantenspeicher dar, die zukünftig ein wichtiger Bestandteil globaler Quantenkommunikationsnetze sein dürften.
Originalartikel
Entanglement dynamics of photon pairs and quantum memories in the gravitational field of the earth
Roy Barzel, Mustafa Gündoğan, Markus Krutzik, Dennis Rätzel, and Claus Lämmerzahl
Quantum 8, 1273 (2024)
https://doi.org/10.22331/q-2024-02-29-1273
