Optimal quantum control of trapped Bose-Einstein condensates
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Description
Magnetic microtraps on atom chips enable precise and robust quantum control of Bose-Einstein condensates (BECs). These are macroscopic quantum objects which are very well isolated from the environment. A key application is an atom interferometer built with trapped BECs. The major goal of this thesis is the optimal quantum control of trapped BECs for atom interferometry applications, as well as a better understanding of the involved physical processes. For control purposes and for non-adiabatic condensate dynamics, elaborate time dependent methods are necessary. We use the Multi-configurational time-dependent Hartree for Bosons (MCTDHB) method, which provides a hierarchy of efficient approximation schemes. Realization of atom interferometers will require elaborate control strategies. We implement thus Optimal control theory for MCTDHB and apply it to several problems. One application is number squeezing by splitting of BECs, which we achieve one order of magnitude faster as compared to quasi-adiabatic splitting. The rapid condensate dynamics resulting from our OCT protocols poses the general question about condensate excitations and stability of the condensate during splitting. Simulations with more than two modes allow us to obtain insight into the many-body dynamics. We analyse trapped BEC interferometers in presence of interactions, in particular the optimal input states and how they can be prepared using quantum control. We find that the MZ interferometer is particularly promising, if Bayesian phase estimation is used. We conclude that phase diffusion is not a substantial limitation for atom interferometry, which could have significant impact on the realization of atom interferometers. (author)
Availability note (English)
Available from Graz University Library, Universitaetsplatz 3, 8010 Graz (AT); Available from http://media.obvsg.at/p-AC08285384-2001Abstract (German)
Magnetische Mikrofallen auf Atom-Chips ermoeglichen eine praezise und robuste Quantenkontrolle von Bose-Einstein-Kondensaten (BEKs). Diese sind von der Umgebung sehr gut isolierte, makroskopische Quantenobjekte. Eine Schluesselanwendung ist ein Atominterferometer mit eingeschlossenen Kondensaten. Das Hauptziel dieser Dissertation ist die optimale Quantenkontrolle von eingeschlossenen BEKs, sowie ein besseres Verstaendnis der damit verbundenen physikalischen Prozesse. Fuer Quantenkontrolle und nicht-adiabatische Kondensatsdynamik sind fortgeschrittene zeitabhaengige Methoden notwendig. Wir verwenden die Multikonfigurationelle zeitabhaengige Hartree-Methode fuer Bosonen (MCTDHB), welche eine Hierarchie von effizienten Naeherungsschemen darstellt. Die Realisierung von Atominterferometern erfordert ausgekluegelte Kontrollstrategien. Wir implementieren deswegen Optimale Kontrolltheorie (OKT) fuer MCTDHB und wenden es auf mehrere Problemstellungen an. Eine davon ist die Herstellung von gequetschten Zustaenden relativer Teilchenzahl durch Splitten eines BEKs, was wir eine Groeßenordnung schneller zustande bringen als durch quasi-adiabatisches Splitten. Die schnelle Kondensatsdynamik, die unsere optimalen Kontrollen mit sich bringen, stellen die allgemeine Frage nach Kondensatsanregungen und der Stabilitaet von BEKs waehrend des Splittens. Simulationen mit mehr als zwei Moden ermoeglichen einen tiefer gehenden Einblick in die Vielteilchendynamik. Wir analysieren Atominterferometer mit eingeschlossenen BEKs in Anwesenheit von Wechselwirkung, insbesondere die optimalen Eingangszustaende und wie sie mittels OKT hergestellt werden koennen. Wir finden, dass vor allem der Mach-Zehnder Interferometer besonders viel versprechend ist, wenn Bayesische Phasenschaetzung verwendet wird. Wir schlussfolgern daraus, dass Phasendiffusion keine bedeutende Einschraenkung fuer Atominterferometer darstellt, was große Auswirkungen fuer die Verwirklichung von Atominterferometern haben koennte. (author)Additional details
Identifiers
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 139 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 43071006
- Subject category
- S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ATOMS; BOSE-EINSTEIN CONDENSATION; BOSONS; CONDENSATES; INTERFEROMETERS; MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER; MANY-BODY PROBLEM; OPTIMAL CONTROL; TIME DEPENDENCE; TRAPPING
- Descriptors DEC
- CONTROL; INTERFEROMETERS; MATHEMATICAL LOGIC; MEASURING INSTRUMENTS