Caesium besitzt zwei langlebige Hyperfein-Grundzustände. Wenn wir die Frequenz des Test-Lasers und die Länge des Resonators richtig wählen, können wir einen dieser Grundzustände an das Resonatorfeld koppeln. Ein Atom im gekoppelten Grundzustand unterdrückt die Test-Laser Transmission, wo hingegen ein Atom im anderen (entkoppelten) Grundzustand die Test-Laser-Transmission nicht beeinflusst. Durch eine zerstörungsfreie Quantenmessung ermitteln wir den Spin-Zustand des Atoms, indem wir die Transmission des Test-Lasers analysieren.
Wir können unser System so präparierien, dass ein Atom - durch zyklische Photonen-Streuprozesse getrieben - zufällig zwischen dem gekoppelten und entkoppelten Grundzustand hin- und herspringt. Dies führt zu so genannten Quantensprüngen und zufälligen Telegraphensignalen, die durch die Test-Laser Transmission beobachtet werden können (s. folgende Messdaten).
Wenn wir zwei Atome an das Feld des Resonators koppeln, wird das System noch interessanter. Bei richtig gewählten experimentellen Parametern können wir drei Fälle voneinander unterscheiden.
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kein Atom koppelt ⇒ maximale Transmission
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ein Atom koppelt ⇒ mittlere Transmission
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beide Atome koppeln ⇒ minimale Transmission
Die unten gezeigten Messdaten (
Teil a) des Bildes) geben ein typisches Beispiel für eine Transmissions-Spur, wenn zwei Atome Quantensprünge innerhalb des Resonators ausführen.
Es wird klar, dass die Daten nicht so einfach analysiert werden können, wie es im stufenförmigen Ein-Atom-Fall möglich ist. Der größte Störfaktor im Zwei-Atom-Fall ist die thermische Bewegung der Atome im Resonator-Feld, die zu einer Variation der Kopplungsstärke und damit zu einer Variation der gemessenen Transmission führt.
Dennoch können wir die maximale Information aus unserem System extrahieren, indem wir einen Update-Formalismus nach Bayes anwenden. Dieser liefert die zeitabhängige Wahrscheinlichkeit pi(t) (s. Teil b)), die angibt wie viele Atome sich im koppelnden Zustand befinden. Teil c) zeigt eine digitalisierte Version der Daten, welche mit Hilfe von Teil b) ermittelt werden kann.
Aktuell beschäftigen wir uns damit, den Bayes Update Formalismus in Echtzeit anzuwenden, um das dadurch gewonnen Wissen über das System für eine gezielte Manipulation der atomaren Spinzustände zu nutzen.
