Detailansicht

Towards measuring gravitationally induced quantum interference with optical fiber interferometry
Christopher Karl Hilweg
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Philip Walther
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12944.02213.707923-6
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die moderne Physik stützt sich auf zwei grundlegend verschiedene und unvereinbare Theorien. Die allgemeine Relativitätstheorie, unsere gegenwärtige Gravitationstheorie, beschreibt die Natur auf großen Längenskalen bis hin zu kosmologischen Distanzen, wo gravitative Wechselwirkungen dominieren. Die Quantenmechanik hingegen ist ein mathematisches Gerüst zur Modellierung von Wechselwirkungen auf kleinen Längenskalen, dem Bereich der atomaren und subatomaren Teilchen. In den vergangenen 100 Jahren wurden die Vorhersagen beider Theorien mit großer Präzision in ihrem jeweiligen Anwendungsbereich überprüft. Aufgrund des Mangels an Experimenten, die in Regime eindringen, in denen Konzepte aus beiden Theorien gleichzeitig beobachtbar sind, gibt es jedoch immer noch wenig Verständnis über ihre Überschneidung. In dieser Dissertation beschreiben wir ein auf optischer Faserinterferometrie basiertes Experiment, welches den Einfluss der Gravitation auf die Quantensuperposition einzelner Photonen misst. Wir beginnen mit einer Berechnung, welche die Lichtfortpflanzung in einer optischen Glasfaser in Abhängigkeit von ihrer Position innerhalb des terrestrischen Schwerefeldes beschreibt. Dabei wird gezeigt, dass sich die Wellenzahl des Lichts in Anwesenheit solcher Felder verändert. Dies lässt sich in Form eines Phasenschubes mit einem Mach-Zehnder Interferometer messen. Aufgrund der geringen Größe dieser gravitationsbedingten Phasenverschiebung, selbst für große Interferometer, führen wir auch eine sehr detaillierte Analyse über mögliche Störungen der Messgröße durch. Wir heben die dominanten Effekte hervor und setzen sie in Beziehung zum erwarteten Gravitationssignal. Darauf aufbauend schlagen wir konkrete Experimente zur Messung dieses durch Gravitation hervorgerufenen Phasenschubs sowohl mit kohärentem Licht als auch mit Einzelphotonen vor. Wir diskutieren die Unterschiede in beiden Ansätzen und beschreiben die erforderlichen Komponenten in den Versuchsaufbauten. Zum Abschluss geben wir einen Ausblick auf zukünftige Experimente an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation, die mit optischer Faserinterferometrie durchgeführt werden können. Wir zeigen in dieser Arbeit, dass der Stand der Technik es erlaubt, Quantenphänomene für masselose Teilchen auf Längenskalen zu erforschen, bei denen die Gravitation nicht vernachlässigt werden kann. Damit ist diese Dissertation ein erster Schritt um herauszufinden, wie die Schwerkraft die Quanteninterferenz masseloser Teilchen verändert. Eine erflogreiche Durchführung des in dieser Arbeit beschriebenen Experiments würde eine ähnliche Messung ergänzen, die von Colella, Overhauser und Werner mit einzelnen Neutronen durchgeführt wurde. Aufgrund der Abwesenheit von Masse für einzelne Photonen würden die Ergebnisse jedoch eine andere theoretische Beschreibung erfordern.
Abstract
(Englisch)
Modern physics relies on two fundamentally different and incompatible theories. General relativity, our current theory of gravity, describes nature at the largest length scales, up to cosmological distances where gravitational interactions dominate. Quantum mechanics, on the other hand, is a mathematical framework to model interactions at small length scales, the realm of atomic and subatomic particles. Over the past 100 years, the predictions of both theories have been tested with great precision at their respective fields of application. However, due to the lack of experiments entering regimes where elements from both theories are simultaneously observable, there is only a limited understanding about their overlap. In this thesis, we describe an experiment based on optical fiber interferometry probing the effect of gravity on the quantum superposition of single photons. We begin by calculating how the propagation of light inside an optical fiber depends on its location within a gravitational field. It is shown that the presence of gravity leads to a change in the propagation constant that can be observed as a small phase shift in a fiber-optic Mach-Zehnder interferometer. Due to the small size of this effect even for large interferometers, a detailed analysis of the involved noise sources is given. We highlight the dominant effects and put them in relation to the expected gravitational signal. Based on this, we propose concrete experiments aimed to measure this differential phase, both with coherent light and single photons. We discuss the differences in both approaches and describe the required components in the experimental setups. We end this thesis by providing an outlook for future experiments at the interface between quantum mechanics and gravity, which can be performed with large-scale optical fiber interferometry. This dissertation shows that state-of-the-art technology allows exploring quantum phenomena with single photons at length-scales where gravity cannot be neglected. It is thus a first step towards measuring how gravity alters the quantum interference of massless particles. If successful, the experiment described in this thesis would complement a similar measurement performed with single neutrons by Colella, Overhauser and Werner. However, due to the absence of mass for single photons the results would require a different theoretical description.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenoptik Photonik Gravitation Glasfaser Interferometrie
Schlagwörter
(Englisch)
quantum optics photonics gravitation optical fiber interferometry
Autor*innen
Christopher Karl Hilweg
Haupttitel (Englisch)
Towards measuring gravitationally induced quantum interference with optical fiber interferometry
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
245 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philip Walther
Klassifikationen
33 Physik > 33.18 Optik ,
33 Physik > 33.21 Relativität, Gravitation ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik
AC Nummer
AC16529220
Utheses ID
61500
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |
Universität Wien, Universitätsbibliothek, 1010 Wien, Universitätsring 1