Regelung von Quantenzuständen für levitierte Teilchen

Schwerpunkte

Feedback-Kühlen von levitierten Nanopartikeln in deren quantenmechanischen Grundzustand
Erzeugung von nicht-klassischen Bewegungszuständen, z.B. gequetschten Zuständen und nicht-Gaußsche Zustände
Hochperformante Echtzeitregelung mittels FPGAs
Formung des Potentials der optischen Falle
Hochpräzise Messanwendungen auf Basis von Quanteneffekten

Beschreibung

Über das vergangene Jahrzehnt hat die Entwicklung optomechanischer Plattformen derartige Fortschritte erfahren, dass sich in der Manipulation von Nano- und Mikroobjekte inzwischen Quanteneffekte zu manifestieren beginnen. Insbesondere bieten Systeme auf Basis optischer Levitation eine überlegene Isolierung der Nanopartikel von ihrer Umgebung während sie gleichzeitig von der Flexibilität rein optischer Manipulation profitieren. Diese Experimente kombinieren etablierte Methoden aus der Optomechanik mit Strategien aus der Atomphysik, der Materiewelleninterferometrie und der Regelungstheorie, um makroskopische Quantenphysik zu erforschen. Zusammen mit ihrer unübertroffenen Empfindlichkeit haben levitierte Nanopartikel eine Vielzahl von möglichen Anwendungsgebieten, welche von der Erforschung dunkler Materie und Abweichungen zur newtonschen Gravitation bis hin zu kommerziellen Sensoranwendungen reichen.

In diesem Forschungsprojekt wollen wir mithilfe von Methoden der Regelungstheorie echtzeitfähige Algorithmen entwickeln, um bewegte Quantenzustände des schwebenden Teilchens zu erzeugen. Dazu ist die Kühlung des Teilchens (genauer: der Bewegung des Massenschwerpunkts) durch Feedback ein entscheidender erster Schritt, der durch die Kombination von Heisenberg-begrenzten Messungen mit optimalen stochastischen Regelungskonzepten möglich ist. Dies öffnet die Tür zu quantenmechanischen Bewegungszuständen wie beispielsweise gequetschten Zuständen und letztlich nicht-Gaußschen Zuständen.

Ausgewählte Publikationen

L. Magrini, P. Rosenzweig, C. Bach, A. Deutschmann-Olek, S. G. Hofer, S. Hong, N. Kiesel, A. Kugi, and M. Aspelmeyer, Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature, Nature, vol. 595, p. 373–377, 2021.
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author = {L. Magrini and P. Rosenzweig and C. Bach and A. {Deutschmann-Olek} and S. G. Hofer and S. Hong and N. Kiesel and A. Kugi and M. Aspelmeyer},
title = {Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature},
doi = {10.1038/s41586-021-03602-3},
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