Double and triple entanglement in a single neutron system

Abstract

Einzelneutroneninterferometrie wird gerne angewendet um die Grundlagen der Quantenmechanik zu studieren. Der Nachteil dieser Technik ist jedoch, dass der Kontrast der Neutroneninterferometer sehr anfällig auf Störungen ist, insbesondere auf Temperaturschwankungen. Um einen viel niedrigeren Kontrastverlust zu erreichen als bisher, entwickeln wir neue Apparate für die Spin- und Energiemanipulation von Neutronen im Interferometer. Diese Apparate ermöglichen die Erzeugung von Quantenzuständen mit deutlich höherer Treue (fidelity) als es bisher in der Neutroneninterferometrie möglich war. Spinrotatoren mit zeitabhängigem (Radiofrequenz (RF)) Feld ändern sowohl den Spin als auch die Energie. Wir verbessern unsere RF-Spinrotatoren für das Interferometer, indem wir sie mit Miniatur Helmholtzspulen ausstatten, sodass die Energieverschiebungen durch die RF-Spulen voneinander unabhängig eingestellt werden können. Dies ist für die Erzeugung von bestimmten Quantenzuständen unabdingbar. Diese Verbesserung wird durch ein neues Kühlverfahren für die Spulen ermöglicht. Desweiteren entwickeln wir auch neue Larmorpr äzessionsbeschleuniger und -verzögerer, die keine Energie verbrauchen und daher überhaupt keine Hitze erzeugen. Wir zeigen zwei Anwendungen der neuen Spin- und Energiemanipulatoren indem wir Zwei- und Dreifachverschränkung zwischen Spin, Energie und Weg des Neutrons im Interferometer erzeugen: die Erzeugung eines Bell-Zustandes und von GHZ- und W-Zuständen gelingt mit Erfolg. Für die Erzeugung des Bell-Zustandes führen wir auch eine passende Methode zur Spinaufbereitung ein, die unseren Larmorpräzessionsmanipulator verwendet. Wir erreichen eine deutlich signifikantere Verletzung einer Bellschen Ungleichung als mit der bisherigen Methode, und damit eine weitere Bestätigung der Quantenkontextualität. Mit unseren RF-Spinrotatoren erzielen wir für die GHZ- und W-Zustände Treuen zwischen 95 und 99%.

Single-neutron interferometry is used in various experiments to study the foundations of quantum mechanics. The drawback of this technique, however, is that the contrast of neutron interferometers is very prone to disturbances, in particular, temperature variations. In order to achieve very low degrading of the contrast, we develop new devices to manipulate the neutron-s spin and energy in the interferometer. These devices open the door for quantum state generation with much higher fidelities than it has been possible so far in neutron interferometry. Spin rotators with time-dependent (radio-frequency (RF)) field change both spin and energy. We improve our RF spin-rotators for the interferometer by equipping them with miniature Helmholtz coils, which allows to adjust the energy shift due to each RF coil independently. This is essential for the generation of certain quantum states. This improvement is made possible by a new coil cooling method. Furthermore, we also develop new Larmor precession accelerators and decelerators that do not consume energy and hence do not produce heat at all. We demonstrate two applications of the new spin and energy manipulators by generating bi- and tripartite entanglement between the neutron's spin, energy and path degrees of freedom in the interferometer: we succeed in generating a Bell-like state and GHZ- and W-like states. For Bell state generation we also introduce a convenient spin preparation scheme that uses our Larmor precession manipulator. We achieve a considerably more significant violation of a Bell-like inequality than with the previous method, thus further confirming quantum contextuality. With our RF spin rotators we achieve for the GHZ- and W-like states fidelities between 95 and 99%.