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Bell correlations in Bose-Einstein condensates

Applicant Treutlein Philipp
Number 169591
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.10.2016 - 30.09.2020
Approved amount 750'774.00
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Keywords (5)

entanglement; nonlocality; ultracold atoms; Bose-Einstein condensation; Bell inequalities

Lay Summary (German)

Lead
Bell-Korrelationen sind besonders starke Korrelationen zwischen Teilchen, die im Rahmen der klassischen Physik nicht erklärt werden können. Sie spielen eine wichtige Rolle in experimentellen Tests der Quantenphysik und sind die Grundlage für neue Technologien wie die Quantenkommunikation. Bisher wurden Bell-Korrelationen nur in Systemen aus wenigen (typischerweise zwei) Teilchen beobachtet. Ziel dieses Projekts ist die experimentelle Untersuchung von Bell-Korrelationen in einem Vielteilchensystem aus mehreren hundert Atomen. Neben fundamentalen Fragen zur Rolle von Bell-Korrelationen in Vielteilchensystemen werden auch mögliche Anwendungen in der Quantentechnologie erforscht.
Lay summary

Gewöhnliche Gegenstände besitzen ihre Eigenschaften unabhängig voneinander und unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht. In der Welt der kleinsten Teilchen gelten diese scheinbaren Gewissheiten nicht. Der Aufenthaltsort, die Geschwindigkeit oder die Orientierung des magnetischen Moments eines Atoms kann sehr stark von denen eines anderen Atoms abhängen.

Unter der (falschen) Annahme, dass die Atome ihre Eigenschaften jeweils unabhängig von der Messung und unabhängig voneinander besitzen, lässt sich eine sogenannte Bell-Ungleichung aufstellen. Wird sie durch die Resultate eines Experiments verletzt, folgt daraus, dass die Teilchen ihre Eigenschaften nicht unabhängig voneinander besitzen. Man spricht dann von Bell-Korrelationen zwischen den Teilchen. Bisher konnten Bell-Korrelationen in Experimenten mit maximal 4 Lichtteilchen oder 14 atomaren Ionen nachgewiesen werden. Welche Rolle Bell-Korrelationen in Vielteilchensystemen spielen ist noch weitgehend unbekannt.

In diesem Projekt sollen Bell-Korrelationen in Systemen aus mehreren hundert Atomen untersucht werden. Dazu werden atomare Gase mit Techniken der Laser- und Verdampfungskühlung auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Bei diesen Temperaturen bilden die Atome ein Bose-Einstein-Kondensat. Bell-Korrelationen zwischen den magnetischen Momenten (bzw. den Spins) der Atome werden dann durch Stösse erzeugt. Zum Nachweis der Korrelationen sollen mehrere Methoden untersucht und verglichen werden, die einerseits auf globalen Messungen am Gesamtsystem, andererseits auf dem Aufspalten des Kondensats in mehrere unabhängige Teile beruhen.

Die Fähigkeit, Bell-Korrelationen in einem Vielteilchensystem kontrolliert zu erzeugen und zuverlässig nachzuweisen könnte neue Möglichkeiten in der Quantentechnologie erschliessen, etwa um Zufallszahlen zu generieren oder um abhörsichere Datenübertragung zu ermöglichen. Ausserdem öffnen sich neue Perspektiven für die Grundlagenforschung.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.09.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149901 Many-particle entanglement on atom chips 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)

Abstract

In 1964, J. Bell discovered that the parts of a composite quantum system can show correlations that are stronger than any local realist theory allows. The existence of these Bell correlations has profound implications for the foundations of physics and at the same time underpins a variety of quantum information technologies that are currently being developed. While Bell correlations have been observed in systems of at most a few (usually two) particles, their role in many-body systems is largely unexplored. There are many open questions on how to create, detect and quantify Bell correlations in many-body systems, on their use in quantum technology, and on the connection between Bell correlations and many-particle entanglement. In this project, we will use atomic Bose-Einstein condensates on an atom chip - an exceptionally well-controlled quantum many-body system - for experiments on Bell correlations and many-particle entanglement and their application in quantum technology.In a recent breakthrough, the applicant’s group reported the first observation of Bell correlations in a many-body system. Based on this result, we will study in depth the character of these correlations between atoms in a Bose-Einstein condensate. We will develop and test improved Bell correlation witnesses, including those that detect genuine many-particle Bell correlations, and aim at closing the statistics loophole. We will explore the possibility of performing a device-independent Bell test with hundreds of atoms. Moreover, we will investigate the use of Bell correlations in many-body systems for quantum information tasks.In previous experiments, entanglement and Bell correlations were detected between atoms in the same cloud, by performing global manipulations and measurements on the entire atomic ensemble. In this project we will go further and perform experiments with two spatially separated, individually addressable Bose-Einstein condensates. Based on a recent proposal, we will explore the generation of Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) entanglement between the two condensates through collisions in a state-dependent potential. Such EPR entanglement is relevant for quantum metrology, because it allows to predict the outcome of spin measurements in one cloud conditioned on a corresponding measurement in the other cloud with higher precision than what is allowed by a naive application of the Heisenberg uncertainty relation. In the next step, we will explore Bell correlations between the two separate Bose-Einstein condensates, where the nonlocal character of these correlations can be directly revealed. We will explore the possibility of directly violating a Bell inequality with the two condensates in a device-independent way.The main applicant, Prof. Dr. Philipp Treutlein, is a young associate professor in the Department of Physics at the University of Basel. During the past five years, he and his team set up an experiment that offers exceptional control over the quantum state of mesoscopic Bose-Einstein condensates. The atoms are trapped and manipulated using a microfabricated atom chip, a powerful technique that no other experiment in Switzerland is currently using. A series of experimental results on spin-squeezing, entanglement, quantum metrology, and Bell correlations have been obtained with this setup. Experimental studies of Bell correlations in many-body systems are just beginning, and many open questions remain to be investigated. Building on the promising initial results obtained recently by the applicant’s group, the goal of the present proposal is to explore this uncharted territory further.
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