Entdeckung schwacher Signale mit quantenoptomechanischen Sensoren und Hypothesentests

• Antragstellerin: Marta Maria Marchese, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510053905

Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, grundlegende Fragen in der Quantenphysik bezüglich der Detektion und Charakterisierung schwacher unbekannter Kräfte zu beantworten. Ich schlage eine Methodik vor, um die Eignung optomechanischer Systeme als Sensor für schwache Kräfte zu verbessern. Optomechanische Systeme bestehen üblicherweise aus einem mechanischen Resonator, dessen Bewegung durch externe Quantenlaserfelder gesteuert werden kann und von der gesuchten Kraft beeinflusst wird. Mein Ansatz kombiniert die Methodik der Quantenmetrologie mit Werkzeugen zum statistischen Hypothesentest. Daraus ergeben sich zwei Hauptvorteile: Strategien zur Erhöhung der Empfindlichkeit optomechanischer Sensoren und Erkenntnisgewinn über die Natur des detektierten Signals. Ich werde die genannten Methoden anwenden, um drei konkrete, vielversprechende Ansätze für neue Physik zu untersuchen: Kollapsmodelle, Detektion dunkler Materie und mögliche Signaturen von Quantengravitation. Dank der von mir angestrebten allgemeinen Formulierung könnten jedoch auch andere fundamentale Kräfte mit dem vorgeschlagenen Protokoll getestet werden. Der erste Schritt besteht darin, die Wirkung des interessierenden Signals auf den Sensor zu identifizieren und zu charakterisieren, um es von anderen Rauschsignalen zu unterscheiden. Ich werde hierzu Quantenmetrologie-Tools einsetzen, um zu untersuchen, wie sich verschiedene Zustandspräparationen und Messeinstellungen auf die Empfindlichkeit auswirken. Quantenmerkmale eingesetzter Zustandsressourcen und Messungen sollen zu einer Steigerung der Sensitivität führen. Ich werde zweitens ein Protokoll zum Testen von Hypothesen über die Natur des schwachen unbekannten Signals entwickeln, wenn nur wenige Daten verfügbar sind und es viele freie Modellparameter gibt. Werkzeuge zur Parameterschätzung werden es ermöglichen, den Bereich der Parameter einzugrenzen und letztendlich einige der theoretischen Modelle auszuschließen. Abschließend werde ich optimierte Setups für eine experimentelle Implementierung konzipieren und vorschlagen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses vorgeschlagene Projekt einen neuartigen statistischen Rahmen zur Untersuchung schwacher unbekannter Kräfte schafft und den Weg für die systematische experimentelle Entdeckung (oder Falsifizierung) neuer grundlegender Physik ebnet.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle