German Title: Spin squeezing und nichtlineare Atominterferometrie mit Bose-Einstein Kondensaten

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Abstract

Interferometry is the most precise measurement technique known today. It is based on interference and therefore on the wave-like nature of the resources – photons or atoms – in the interferometer. As given by the laws of quantum mechanics the granular, particle-like features of the individually independent atoms or photons are responsible for the precision limit – the shot noise limit. However this “classical” bound is not fundamental and it is the aim of quantum metrology to overcome it by employing quantum correlations – entanglement – among the particles. We report on the realization of spin squeezed states suitable for atom interferometry based on two external modes of a Bose-Einstein condensate. We detect manybody entangled states which allow – in principle – for a precision gain of 35% over the shot noise limit in atom interferometry. We demonstrate a novel non-linear atom interferometer for Bose-Einstein condensates whose linear analog – the Ramsey interferometer – is used for the definition of the time standard. Within the non-linear interferometer we detect a large entangled state of 170 inseparable atoms. A measurement with this interferometer outperforms its ideal linear analog by 15% in phase estimation precision showing directly the feasibility of non-linear atom interferometry with Bose-Einstein condensates beyond “classical” precision limits.

Translation of abstract (German)

Die präzisesten Messgeräte, die bisher konstruiert wurden, sind Interferometer. Sie basieren auf Interferenz und damit auf den Welleneigenschaften der verwendeten Ressourcen – Atome oder Photonen. Ihre Messgenauigkeit ist – nach den Gesetzen der Quantenmechanik – gegeben durch die Schrot-Rausch Grenze. Diese resultiert aus den Teilcheneigenschaften der individuell unabhängigen Atome oder Photonen. Diese „klassische“ Grenze ist jedoch nicht fundamental und kann durch Verschränkung der Teilchen überwunden werden. Dies ist das Ziel der Quanten-Metrologie. In unserem Labor haben wir eine spezielle Art verschränkter Zustände, gequetschte Spin Quantenzustände, erzeugt. Unsere Messungen ergeben, dass der realisierte Quantenzustand, der auf zwei räumlich getrennten Moden eines 87Rubidium Bose-Einstein Kondensates basiert, eine prinzipielle Verbesserung der Messgenauigkeit um 35% gegenüber der Schrot-Rausch Grenze ermöglicht. In einem zweiten Experiment haben wir ein neuartiges nicht-lineares Atom-Interferometer entwickelt, das zwei interne Hyperfein-Zustände der Bose-Einstein kondensierten Atome verwendet. Das lineare Analogon dieses Interferometers wird heutzutage in Atomuhren eingesetzt die den Zeitstandard definieren. Charakterisierung des Quantenzustandes im nicht-linearen Interferometer zeigt starke Vielteilchen-Verschränkung – 170 Atome sind nicht separierbar, also nicht unabhängig voneinander beschreibbar. Messungen mit dem nicht-linearen Atom-Interferometer ergeben eine um 15% höhere Präzission als ihr ideales lineares Analog. Damit haben wir direkt experimentell gezeigt, dass nicht-lineare Atom-Interferometrie mit Bose-Einstein Kondensaten tatsächlich mit höherer Genauigkeit als „klassisch“ erlaubt möglich ist.