German Title: Teilung eines Bose-Einstein Kondensats ermöglicht EPR steering und das gleichzeitige Auslesen nichtkommutierender Observablen

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Abstract

Whether quantum correlations between identical particles can serve as a resource for quantum information protocols has often been questioned, since the constituent particles are not individually addressable. In this work, a scheme is presented that converts these correlations into entanglement between distinct spatial modes. Starting with a Bose-Einstein condensate (BEC) of Rb-87 in a tightly confining trap, we use spin-mixing to generate a quantum correlated state of indistinguishable particles in a single spatial mode. This entanglement is subsequently distributed in space by expanding the atomic cloud which can be viewed as splitting the BEC in the spatial degree of freedom. Using a spatially resolved spin readout we demonstrate a particularly strong form of entanglement known as Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) steering between spatially distinct regions of the expanded BEC. This certifies that the prepared state is indeed a useful resource for quantum information protocols. Additionally, we developed a new readout technique based on coupling the spin state to initially unoccupied auxiliary modes. This splitting in the internal degree of freedom enables the simultaneous and spatially resolved extraction of multiple noncommuting observables. We show that this technique is capable of detecting quantum correlations by measuring fluctuations below the standard quantum limit. This results in a new method to characterize quantum states and together with the spatial resolution provides the possibility to detect entanglement in complex multimode settings. Combining these two results provides the prospect of studying the generation of cluster states, which are the crucial resource for one-way quantum computation. This renders BECs a new test bed for quantum information tasks.

Translation of abstract (German)

Ob Quantenkorrelationen zwischen identischen Teilchen als Ressource für Quanteninformationsprotokolle dienen können, wurde oft in Frage gestellt, da die einzelnen Bestandteile nicht individuell adressierbar sind. Innerhalb dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, mit der diese Korrelationen in Verschränkung zwischen unterscheidbaren räumlichen Moden umgewandelt werden können. Als Ausgangspunkt dient ein Bose-Einstein Kondensat (BEC) aus Rb-87 Atomen in einer eng begrenzten Falle. Mittels Spin-Wechselwirkung wird ein quantenverschränkter Zustand zwischen ununterscheidbaren Teilchen in einer einzelnen räumlichen Mode erzeugt. Durch Expandieren der Atomwolke wird diese Verschränkung im Raum verteilt. Die Expansion kann dabei als Teilung des BECs im räumlichen Freiheitsgrad aufgefasst werden. Eine räumlich aufgelöste Detektion des Spinzustandes ermöglicht den Nachweis von Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) Steering, einer besonders starken Form der Verschränkung zwischen räumlich getrennten Regionen im ausgebreiteten BEC. Damit wird zugleich gezeigt, dass der präparierte Zustand tatsächlich eine nützliche Ressource für Quanteminformationsprotokolle liefert. Darüberhinaus wurde eine neue Auslesemethode entwickelt, welche darauf beruht, den Spinzustand an anfangs unbesetzte Hilfsmoden zu koppeln. Diese Teilung im internen Freiheitsgrad ermöglicht die gleichzeitige und räumlich aufgelöste Extraktion mehrer nichtkommutierender Observablen. Durch Messung von Fluktuationen unterhalb des Standard-Quantenlimits wird gezeigt, dass diese Technik in der Lage ist, Quantenkorrelationen nachzuweisen. Dies stellt eine neue Methode dar, Quantenzustände zu charakterisieren und bietet zusammen mit der räumlichen Auflösung die Möglichkeit, Verschränkung in komplexen Multimoden-Umgebungen zu detektieren. Beide Ergebnisse der Arbeit zusammen bieten die Aussicht, die Erzeugung von Cluster-Zuständen zu untersuchen, welche einen essentiellen Bestandteil messbasierter Quantencomputer bilden. Dadurch werden BECs zu einem neuen Testfeld für Quanteninformationsprotokolle.