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Feasibility study for measurement of general relativistic time dilations and gravitational phase shifts on single photons
Tobias Schäfer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Caslav Brukner
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.36748
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29202.43405.840759-6
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Es ist bekannt, dass Gravitation klassisches Licht sowohl krümmen, als auch verlangsamen kann. Jedoch wurde die Wirkung von Gravitation auf einzelne Photonen bis heute noch nicht getestet. In dieser Arbeit steht der Einfluss von Gravitation auf einzelne Photonen in quantenoptischen Experimenten im Mittelpunkt. Im Speziellen wird der Einfluss von Gravitation auf Photonen in einer Superposition verschiedener Regionen des Gravitationspotentials betrachtet. Verwendet man die Newtonsche Gravitationstheorie könnte eine relative Phase, analog zur skalaren Aharonov-Bohm Phase, auftauchen. Behandelt man dagegen Gravitation als lokal äquivalent zu einem beschleunigten Bezugssystem, wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie, könnte die Shapiro-Verzögerung die Kohärenz der Photonen beeinflussen. Eine Messung solcher Effekte, die allein durch gravitative Zeitdilatation erklärt werden können, wäre das erste Experiment, bei dem sowohl Quantenmechanik als auch Allgemeine Relativitätstheorie essentiell sind, um das Ergebnis vorherzusagen. Da der Effekt auf der Erde äußerst klein ist, ist eine direkte Messung, wie sie bereits in [1] vorgeschlagen wurde, äußerst unwahrscheinlich. Um gravitative Zeitdilatationen oder gravitative Phasenverschiebungen auf einzelnen Photonen dennoch messen zu können, werden in dieser Arbeit fünf Methoden auf ihre Durchführbarkeit analysiert. Die Methoden basieren auf dem Verstärkungseffekt durch postselections. Zwei von ihnen beruhen direkt auf dem bekannten Verfahren der schwachen Messung mit postselections. Es stellt sich heraus, dass die Durchführbarkeit des Experiments durch diese Methoden signifikant verbessert werden kann. Während in [1] noch ein Interferometer, das eine Fläche von $10^3\,\text{km}^2$ einschließt, vorgeschlagen wurde, wird hier eine Verbesserung um fünf Größenordnungen präsentiert. Darüber hinaus können sie genutzt werden, um jede beliebige Art von Zeitdiliatationen oder Phasenverschiebungen in Interferometerexperimenten zu detektieren.
Abstract
(Englisch)
It is known that gravity can bend or slow down classical light. But the influence of gravity on single photons has not been tested so far. Here the influence of gravity on single photons in quantum optical experiments is of interest. In particular such influence on single photons in a superposition of different regions of gravitational potential is considered. When only Newtonian gravity is assumed a gravitational scalar Aharonov-Bohm like phase occurs. Yet, treating gravity as locally equivalent to an accelerating reference frame, like in the general theory of relativity, the Shapiro delay could affect the coherence of the photon's superposition. A measurement of effects which are explainable only by such a gravitational time dilation can be viewed as the first experiment where both theories, quantum mechanics and gerneral relativity, are essential to predict the outcome. Since, on earth, this effect is acutely small a direct measurement which was already suggested [1] is unpromising. In this thesis five methods which base on the amplification effect of postselections are analysed concerning their experimental feasibility in order to verify gravitational time dilations or gravitational phase shifts on single photons. Two of them directly base on the well-known weak measurement approach with postselections. It turns out that these methods could be used to reach a siginificant improvement in the experimental feasibility. While in [1] the required surface of the interferometer was calculated as $10^3\,\text{km}^2$ an improvement of five orders of magnitude is presented here. Moreover they can be used to detect any kind of time dilations or phase shifts which occur in interferometric experiments.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
gravitational time dilation gravitational phase shift single photons
Schlagwörter
(Deutsch)
gravitative Zeitdilatation gravitative Phasenverschiebung einzelne Photonen
Autor*innen
Tobias Schäfer
Haupttitel (Englisch)
Feasibility study for measurement of general relativistic time dilations and gravitational phase shifts on single photons
Paralleltitel (Deutsch)
Machbarkeitsstudie zur Messung von gravitativer Zeitdilatation und gravitativer Phasenverschiebungen auf einzelnen Photonen
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
IV, 62 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Caslav Brukner
Klassifikationen
33 Physik > 33.21 Relativität, Gravitation ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC12383016
Utheses ID
32575
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |
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