Ein Themenkomplex der Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik liegt auf Quantenmetrologie und Quantensensorik, die auf Atominterferometern basieren. Als bevorzugtes System nutzen wir ultrakalte Quantengase, die mit Licht so manipuliert werden, dass sie sich in einer Überlagerung zweier Bahnen durch die Raumzeit bewegen. Da Quantengase aus massiven Atomen bestehen, sind sie besonders sensitiv bezüglich Gravitation, die sich durch eine Krümmung eben jener Raumzeit äußert.
In der Arbeitsgruppe erforschen wir neuartige Ansätze zu gravimetrischen Sensoren, die von elektromagnetischen Feldern geführt werden und deren Dynamik von quantenmechanischen Effekten, wie z.B. dem Tunneleffekt, bestimmt wird. Ein weiteres Anwendungsfeld solcher Sensoren stellen Mikrogravitationsumgebungen dar, wie sie unter anderem für diverse Projekte und Missionen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt von Interesse sind.
Die Präzision herkömmlicher Sensoren ist derzeit durch Schrotrauschen beschränkt und hängt von der Atomanzahl ab, die begrenzt ist. Wird ein sogenannter verschränkter Quantenzustand zwischen den Atomen erzeugt, kann diese Limitierung allerdings umgangen und folglich die Präzision erhöht werden. Aus diesem Grund erforschen wir Möglichkeiten, Verschränkung für Atominterferometrie nutzbar zu machen.
Als zusätzlichen Forschungsansatz, der eher fundamental-physikalische Aspekte verfolgt, nutzen wir aus, dass Quantengase aus Atomen bestehen, die eine innere Struktur besitzen. Im Zentrum dieser Bestrebungen steht die Fragestellung, wie die Grundprinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie (und damit der Gravitation) durch atominterferometrische Sensoren mit interner atomarer Struktur überprüft werden können. Dazu sind konsistente Modelle notwendig, die über das Standardmodell hinausgehen.
