KIP publications

 
year 2021
author(s) Marc Robin Strohmaier
title Experimental implementation of a detection scheme for entanglement in a spinor Bose gas
KIP-Nummer HD-KIP 21-58
KIP-Gruppe(n) F20
document type Masterarbeit
Abstract (de)

Der Nachweis von Quantenverschränkung in Vielkörper-Quantensystemen stellt eine große Herausforderung für moderne ultrakalte Gasexperimente dar. In dieser Arbeit wird die experimentelle Implementierung eines neu entwickelten Schemas zum Nachweis von Quantenverschränkung vorgestellt, welches eine gleichzeitige Messung von zwei nicht kommutierenden Observablen erlaubt. Zur Untersuchung von Spin-Dynamik in wenig- und Vielmoden Situationen wird in unseren Experimenten ein Spinor Bose-Einstein-Kondensat bestehend aus 87Rb verwendet. Zuerst werden die relevanten theoretischen Konzepte vorgestellt und die Dynamik basierend auf Simulationen in der truncated Wigner Näherung analysiert. Um in unserem Experiment ein hohes Maß an Stabilität zu erreichen, wird ein neu entwickelter Aufbau eines Arbiträrfunktionsgenerators vorgestellt, der eine gut kontrollierte und flexible Manipulation des atomaren Spinzustands ermöglicht. Des Weiteren werden das Ausleseschema und die experimentellen Details bezüglich der Implementierung und Kalibrierung diskutiert, die für die genaue Detektion von Quantenverschränkung erforderlich sind. Zusätzlich wird der Einfluss externer Fluktuationen unter Einbeziehung der experimentellen Sequenz mit Hilfe von Simulationen untersucht. Schließlich werden erste experimentelle Ergebnisse präsentiert, die zum einen die Verschränkung in einer kontrollierten Situation mit wenigen Moden und darüber hinaus das gleichzeitige Quetschen von vier Moden in einem kastenartigen Potential zeigen.

Abstract (en)

The detection of entanglement in many-body quantum systems represents a major challenge for modern ultracold gas experiments. This thesis presents the experimental implementation of a newly developed scheme for the detection of entanglement using a joint measurement of two non-commuting observables. In our experiments we employ a spinor Bose-Einstein condensate of 87Rb, which allows the investigation of spin dynamics involving few as well as multiple spatial modes. We introduce the relevant theoretical concepts and analyze the dynamics based on simulations in the truncated Wigner approximation. To reach a high level of stability in our experiment a newly developed arbitrary waveform generator setup is presented, enabling well controlled and flexible manipulations of the collective spin state. Further, we discuss the experimental implementation and the calibration of the readout scheme, that are necessary for the precise detection of entanglement. Additionally, we test the influence of external fluctuations simulating the experimental readout sequence. Finally, we present first experimental results showing entanglement in a controlled few mode setting and simultaneous squeezing of four spatial modes in a box-like trapping potential.

bibtex
@mastersthesis{rs2021thesisMsc,
  author   = {Marc Robin Strohmaier},
  title    = {Experimental implementation of a detection scheme for entanglement in a spinor Bose gas},
  school   = {Universit├Ąt Heidelberg},
  year     = {2021},
  type     = {Masterarbeit}
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