Quanten, Laser und Gravitationswellen

Das Albert-Einstein-Institut präsentiert im Rahmen der DPG-Tagung ein umfangreiches Programm

Rund 1700 Physiker treffen sich vom 18. bis zum 22. März 2013 zur Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) an der Leibniz Universität Hannover. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover stellen auf der Tagung neue Forschungsergebnisse aus der Quanten-, Laser- und Gravitationswellenphysik in rund 30 Fachvorträgen vor. Das Institut lädt die Tagungsteilnehmer darüber hinaus zu Besichtigungen der Labore und des Gravitationswellendetektors GEO600 ein. Mit einem Stand und einem Sondervortrag informiert das Institut über die geplante Satellitenmission LISA und das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home.

Führungen und Exkursionen (Anmeldung erforderlich):

Advanced LIGO 200-Watt Laser & Squeezing-Labor
Dienstag, 19.3., 13:45 Uhr, 14:25 Uhr und 15:05 Uhr

10-Meter Prototyp
Donnerstag, 21.3., 13:45 Uhr, 14:15 Uhr und 14:45 Uhr

Computercluster Atlas
Donnerstag, 21.3., 13:45 Uhr, 14:15 Uhr und 14:45 Uhr

Gravitationswellendetektor GEO600
Donnerstag, 21.3., 11:15 Uhr

Vortrag: „Listen to the Universe“
Donnerstag, 21.3., 18:30 Uhr

Gravitationswellen-Astronomie am Albert-Einstein-Institut
in Hannover Gravitationswellen sind winzige Kräuselungen der Raumzeit, deren Existenz Albert Einstein bereits 1916 aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat. Sie werden von kosmischen Ereignissen wie Supernova-Explosionen, verschmelzenden Schwarzen Löchern oder kompakten Neutronensternen erzeugt. Ihre direkte Messung wird ein neues Fenster zum All eröffnen und eine neue Ära der Astronomie einläuten; doch bislang ließen sich die Wellen aus dem All noch nicht direkt nachweisen. Das AEI Hannover arbeitet unter dem Motto „Einstein weiterdenken“ auf mehreren Gebieten daran, diese erste direkte Detektion von Gravitationswellen zu ermöglichen.

In internationaler Zusammenarbeit betreibt das AEI den Gravitationswellen-Detektor GEO600 bei Ruthe, rund 20 Kilometer südlich von Hannover. Hochpräzise Messungen des interferometrischen Detektors mit 600 Meter langen Armen sollen die Kräuselungen der Raumzeit direkt nachweisen. Derzeit ist GEO600 der weltweit einzige große Gravitationswellendetektor im aktiven Messbetrieb und wird gleichzeitig im „GEO-HF“-Programm ausgebaut, um seine Empfindlichkeit für hochfrequente Gravitationswellen zu verbessern.

Die bei GEO600 verwendeten Laser-Lichtquellen wurden am AEI Hannover in Zusammenarbeit mit dem Laser Zentrum Hannover (LZH) entwickelt und gehören zu den präzisesten Lasern weltweit. Denn nur Laser deren Farbe, Intensität, Strahlform und -lage dauerhaft stabil sind, eignen sich zum Nachweis der schwachen Gravitationswellen. Das AEI plant und baut gemeinsam mit dem LZH auch die leistungsfähigen Lasersysteme der großen LIGO-Gravitationswellen- Detektoren in den USA.

Das AEI forscht bereits jetzt an der nächsten Generation der erdgebundenen, interferometrischen Gravitationswelldetektoren. Dazu betreibt das Institut einen Prototypen mit einer Armlänge von 10 Metern. Durch die Verwendung neuer mechanischer und optischer Aufbauten, Datenerfassungstechniken und speziellen Laserlichts soll die Messgenauigkeit weiter gesteigert werden.

Eine weitere Arbeitsgruppe des AEI untersucht, wie sich die Quanteneigenschaften des verwendeten Laserlichts verändern lassen, um dessen unvermeidliches Rauschen zu minimieren, welches letztendlich die Genauigkeit klassischer Messungen begrenzt. Das AEI entwickelt und betreibt dazu die weltweit besten „Quetschlichtquellen“, die in GEO600 bereits heute zum Einsatz kommen. Mit diesen Speziallasern gehen die AEI-Forscher auch Fragen der Metrologie, der Quantenkommunikation und der Grundlagenforschung nach.

Doch die Arbeit der Wissenschaftler beschränkt sich nicht nur auf erdgebundene Messungen. Das AEI ist an der Entwicklung der Satelliten-Mission GRACE Follow-on (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on) beteiligt. Das Satelliten-Zwillingspaar soll ab 2017 durch kontinuierliche Messungen des Erdschwerefelds wertvolle Beiträge zur globalen Klimaforschung liefern. Das Institut entwickelt die dabei zur Abstandsmessung der Satelliten verwendete Laserinterferometrie.

Auch zur Messung der Gravitationswellen führt der Weg ins All. In rund 15 Jahren soll eine Mission aus drei Satelliten, die der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen, extrem niederfrequente Gravitationswellen – beispielsweise von verschmelzenden extrem massereichen Schwarzen Löchern – messen. Das AEI ist die weltweit führende Forschungseinrichtung bei der Entwicklung des Projekts mit dem Namen LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Die drei Satelliten sollen dabei am AEI entwickelte Laserinterferometrie verwenden, um durch Gravitationswellen verursachte Abstandsänderungen zu erfassen. Bereits 2015 wird mit LISA Pathfinder ein Satellit ins All starten und diese Methoden demonstrieren. Das AEI stellt einen der Chef-Wissenschaftler des Projekts und die verwendete Lasermesstechnik.

Zur Auswertung der anfallenden großen Datenmengen der Gravitationswellendetektoren betreibt das AEI „Atlas“, den weltweit größten Computercluster der Gravitationswellenforschung. Das Institut ist außerdem maßgeblich am verteilten Rechenprojekt Einstein@Home beteiligt, das mithilfe von hunderttausenden Freiwilligen aus aller Welt die Daten analysiert. Diese Bürgerwissenschaftler stellen dazu brachliegende Rechenzeit auf ihren PCs zur Verfügung und haben bereits mehrere astronomische Entdeckungen gemacht.

Weitere Informationen über die am AEI betriebene Forschung bieten die Fachvorträge der AEIForscher während der Tagung, Führungen durch die Institutslabore und den Computercluster Atlas, sowie der Ausflug zum Gravitationswelldetektor GEO600. Ein Informationsstand zu LISA und Einstein@Home steht im Hauptgebäude der Leibniz Universität während der gesamten Tagung zur Verfügung. Am Donnerstag findet der Vortrag „Listen to the Universe“ mit weiteren Hintergrundinformationen zu diesen beiden Projekten statt.

Führungen und Exkursionen
Anmeldung für alle Führungen im DPG-Tagungsbüro (Hauptgebäude der Universität, C109)

Dienstag, 19. März 2013

Advanced LIGO 200-Watt Laser & Squeezing-Labor
Für die zweite Generation von Gravitationswellendetektoren werden hohe Laserleistungen benötigt, um die schrotrauschbegrenzte Empfindlichkeit zu verbessern. Technisches Laserrauschen von Hochleistungslasern koppelt jedoch stark in das Ausgangssignal dieser Detektoren und muss daher reduziert werden. Die für den Advanced LIGO Detektor entwickelten 200W-Lasersysteme wurden in Hinblick auf ihr räumliches Strahlprofil, ihre Strahllagefluktuationen, ihr Leistungs- und Frequenzrauschen hin stabilisiert. In unserem Labor können Sie das
sogenannte "Reference System" sehen, welches identisch zu den an den Detektoren installierten Systemen ist.

Die Arbeitsgruppe Quanteninterferometrie nutzt zurzeit ca. zehn Quetschlichtquellen, die eine nichtklassische Rauschunterdrückung von bis zu 12,7 dB liefern. Die Anwendungen liegen in der Metrologie, in der Quantenkommunikation und in der Grundlagenforschung. Das zu besichtigende Labor zeigt zwei Beispielexperimente.

Abholung am Tagungsbüro (Hauptgebäude Universität, Raum C109)
Di., 19.3., 13:45 Uhr, 14:25 Uhr und 15:05 Uhr
maximal 16 Teilnehmer pro Gruppe
Dauer: ca. 40 Minuten

Donnerstag, 21. März 2013

10-Meter Prototyp
Am 10-Meter-Prototyp des AEI entwickeln wir Technologien, um die Empfindlichkeit interferometrischer Gravitationswellen-Detektoren weiter zu verbessern. Wir bauen dazu ein Michelson-Interferometer mit einer Armlänge von 10 Metern und 100 Gramm schweren Spiegeln, dessen Empfindlichkeit im gesamten Messbereich nur durch das Quantenrauschen bestimmt ist. Wir planen mithilfe von gequetschtem Laserlicht die Quantenrauschgrenze zu durchbrechen und das Regime zerstörungsfreier Quantenmessungen für Versuche wie z.B. die Verschränkung makroskopischer Objekte, zugänglich zu machen.

Abholung am Tagungsbüro (Hauptgebäude Universität, Raum C109)
Do., 21.3., 13:45 Uhr, 14:15 Uhr und 14:45 Uhr
maximal 10 Teilnehmer pro Gruppe
Dauer: ca. 30 Minuten

Computercluster Atlas
Atlas ist der weltweit größte Computercluster in der Gravitationswellenforschung. Aktuell besteht Atlas aus knapp 1800 Rechnern mit rund 7000 CPU-Kernen mit mehr als 2 PByte Speicherkapazität und 12 TByte Hauptspeicher. Im Jahresmittel ist er mit mehr als 90% Auslastung sehr gut genutzt. Die insgesamt mehr als 500 Wissenschaftler, die Zugang zum System haben, analysieren die Daten der Gravitationswelldetektoren GEO600, LIGO und VIRGO, die in den
letzten Jahren aufgezeichnet wurden.

Abholung am Tagungsbüro (Hauptgebäude Universität, Raum C109)
Do., 21.3., 13:45 Uhr, 14:15 Uhr und 14:45 Uhr
maximal 15 Teilnehmer pro Gruppe
Dauer: ca. 30 Minuten

Gravitationswellendetektor GEO600
Ein kostenloser Bustransfer bringt Sie nach Ruthe, ca. 20 Kilometer südlich von Hannover. Dort besichtigen Sie GEO600, einen interferometrischen Detektor mit einer Armlänge von 600 Metern, der die direkte Messung von Gravitationswellen ermöglichen soll. Diese winzigen Kräuselungen der Raumzeit werden von kosmischen Ereignissen wie Supernova-Explosionen oder verschmelzenden Neutronensternen erzeugt und wurden bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagt. Im „Astrowatch“-Programm lauscht GEO600 derzeit als weltweit einziger interferometrischer Detektor im aktiven Messbetrieb nach Gravitationswellen.

Der Gravitationswellendetektor GEO600 wurde in deutsch-britischer Kollaboration erbaut und ist Teil der LIGO Scientific Collaboration (LSC), innerhalb derer wir gemeinsame Messprogramme vereinbaren und unsere Messdaten gemeinsam auswerten.

Treffpunkt vor dem Hauptgebäude der Universität (zwischen den Löwenstatuen)
Do., 21.3., 11:15 Uhr
maximal 45 Teilnehmer
Rückkehr vor 15:00 Uhr

Info-Stand „LISA und Einstein@Home“
Montag bis Freitag, Hauptgebäude der Universität, vor Hörsaal F142

Besuchen Sie unseren Stand, um sich über die Satellitenmission LISA und das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home zu informieren. Voraussichtlich in 15 Jahren wird LISA, ein Gravitationswellenobservatorium im All, seine Messungen beginnen. Einstein@Home sucht bereits heute mithilfe von hunderttausenden Freiwilligen nach den Wellen aus dem Kosmos.

Vortrag „Listen to the Universe“
Donnerstag, 21.3., 18:30 Uhr, Bahlsensaal (Hörsaal F303)
Simon Barke und Benjamin Knispel

Zwei Projekte, an deren Planung und Ausführung das Albert-Einstein-Institut beteiligt sind, stehen im Mittelpunkt dieses Vortrags: das geplante Weltraumobservatorium LISA und das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home, die beide auf unterschiedlichen Weisen dem Kosmos lauschen, um die bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen aufzuspüren. Gravitationswellen sind winzige Krümmungen der Raumzeit, die bislang nicht direkt gemessen werden konnten und deren direkte Detektion eine neue Ära der Astronomie einläuten wird.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ist das Konzept eines Gravitationswellenobservatoriums im Weltraum. Drei Satelliten, in noch nie erreichter Ruhe, spannen ein Dreieck aus Laserlicht mit einer Kantenlänge von Millionen von Kilometern auf. Dies ermöglicht hochpräzise Abstandsmessungen zwischen den Satelliten, wodurch winzige Wellen in der Raumzeit aufgespürt werden können. Eine Mission nach diesem Prinzip wird voraussichtlich in 15 Jahren ihren Betrieb im All aufnehmen. Dann ist es erstmals möglich, die dunkle Seite unseres Universums zu hören:
Schwarze Löcher, Weiße Zwerge und vielleicht sogar das Echo des Urknalls.

Einstein@Home ist ein verteiltes Rechenprojekt das bereits jetzt nach den Signalen von schnell rotierenden, kompakten Neutronensternen in den Signalen der erdgebundenen LIGOGravitationswellen- Detektoren sucht. Das Projekt vereint hunderttausende von Freiwilligen weltweit, die brachliegende Rechenzeit auf ihren PCs für die Datenanalyse zur Verfügung stellen. Einstein@Home hat bereits über 40 neue Neutronensterne in den Daten großer Radioteleskope entdeckt und durchsucht die Daten des Gamma-Satelliten Fermi nach unbekannten Gammapulsaren.

Vorträge von AEI-Wissenschaftlern auf der DPG-Tagung

Montag, 18. März 2013

Q 1: Micromechanical oscillators I (Raum F 142)
• 11:30 (Q 1.3) Cryogenic cooling of a Michelson-Sagnac Interferometer, Ramon Moghadas Nia, Henning Kaufer, Andreas Sawadsky und Roman Schnabel
• 12:00 (Q 1.5) Anomalous dynamic back-action in interferometers: beyond the scaling law, Sergey Tarabrin, Farid Khalili, Klemens Hammerer, Henning Kaufer und Roman Schnabel

Q 8: Micromechanic oscillators II (Raum F 142)
• 14:00 (Q 8.1) Dissipative opto-mechanics in a membrane interferometer, Henning Kaufer, Andreas Sawadsky, Ramon Moghadas Nia, Sergey Tarabrin, Klemens Hammerer und Roman Schnabel

Mittwoch, 20. März 2013

Q 38: Precision measurements and metrology III (Raum E 001)
• 14:00 (Q 38.1) Gruppenbericht: Status of the LISA mission, Gerhard Heinzel
• 14:30 (Q 38.2) LISA Pathfinder: Vorbereitung des Betriebs im Orbit, Heather Audley, Martin Hewitson, Natalia Korsakova, Jens Reiche, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 14:45 (Q 38.3) Towards the Quantum Limit: Update from the AEI 10-meter Prototype, Tobin Fricke and The AEI 10 meter Prototype team
• 15:00 (Q 38.4) GRACE Follow-on - Ein Überblick, Gunnar Stede, Daniel Schütze, Vitali Müller, Alexander Görth, Christoph Mardt, Oliver Gerberding, Benjamin Sheard, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 15:30 (Q 38.6) Suspension Platform Interferometer für das AEI 10 m-Prototyp-Interferometer, Sina Köhlenbeck for the AEI 10m Prototype Team
• 15:45 (Q 38.7) Seismic isolation for the 10 m Prototype, Gerald Bergmann for the AEI 10m Prototype Team

Q 41: Quantum information: Concepts and methods III (Raum E 214)
• 14:30 (Q 41.2) Concept for a remote, balanced receiver for quantum key distribution, Jan Gniesmer, Vitus Händchen, Tobias Eberle und Roman Schnabel

Donnerstag, 21. März 2013

Q 50: Laser applications (Raum F 142)
• 14:00 (Q 50.1) Gruppenbericht: Fortschritte im GEO-HF Upgrade Programm, Christoph Affeldt
• 14:30 (Q 50.2) Thermal lens measurement in commonly used optical components, Christina Bogan, Patrick Kwee, Sabina Huttner, Stefan Hild, Benno Willke und Karsten Danzmann
• 15:15 (Q 50.5) Entwicklung einer Optical Ground Support Equipment Einheit für die GRACE follow-on Mission, Alexander Görth, Oliver Gerberding, Christoph Mahrdt, Vitali Müller, Daniel Schütze, Benjamin Sheard, Gunnar Stede, Jose Sanjuan, Martin Gohlke, Claus Braxmaier, Gerhard Heinzel, Karsten Danzmann und Kolja Nicklaus
• 15:30 (Q 50.6) A high power beam in high-order Laguerre-Gauss mode, Christina Bogan, Ludovico Carbone, Andreas Freise, Benno Willke und Karsten Danzmann

Q 51: Precision measurements and metrology IV (Raum F 128)
• 14:00 (Q 51.1) Gruppenbericht: A prototype optical bench for the Laser Interferometer Space Antenna, Michael Tröbs, Maike Lieser und the LISA Optical Bench Team
• 14:45 (Q 51.3) Ground-based characterisation of the LISA Pathfinder optical measurement system, Andreas Wittchen, Martin Hewitson, Heather Audley, Natalia Korsakova, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 15:15 (Q 51.5) Breadboard model of the LISA Phasemeter, Oliver Gerberding, Simon Barke, Joachim Kullmann, Ioury Bykov, Juan Josè Esteban Degaldo, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 15:30 (Q 51.6) Laser frequency stabilisation for the AEI 10m Prototype Interferometer, Manuela Hanke for the AEI 10 m Prototype team
• 15:45 (Q 51.7) Development of photoreceivers for space-based interferometry, Germán Fernández, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann

Q 54: Quantum information: Photons and nonclassical light I (Raum E 001)
• 14:30 (Q 54.2) Realization of quantum up-conversion of squeezed light from 1550 nm to 532 nm, Petrissa Zell, Christina E. Vollmer, Christoph Baune, Aiko Samblowski, Jaromír Fiurášek und Roman Schnabel

Freitag, 22. März 2013

Q 64: Precision measurements and metrology VI (Raum E 001)
• 14:15 (Q 64.2) Laser ranging for GRACE follow-on, Daniel Schütze, Gunnar Stede, Vitali Müller, Alexander Görth, Oliver Gerberding, Christoph Mahrdt, Benjamin Sheard, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 14:30 (Q 64.3) General Astigmatic Gaussian Beam Model, Evgenia Kochkina, Dennis Schmelzer, Gudrun Wanner, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 15:00 (Q 64.5) Digital unterstützte heterodyn Interferometrie, Katharina-Sophie Isleif, Sina Köhlenbeck, Oliver Gerberding, Stefan Goßler, Gerhard Heinzel und Karsten Danzmann
• 15:15 (Q 64.6) Coating thermal noise interferometer, Tobias Westphal and the AEI 10m Prototype team
• 15:30 (Q 64.7) Control of optical cavities in light-shining-through-a-wall experiments, Robin Baehre

Q 66: Quantum effects: Entanglement and decoherence II (Raum A 310)
• 15:00 (Q 66.4) Quantum-Dense Read-Out for Interferometric Measurements, Melanie Meinders, Sebastian Steinlechner, Jöran Bauchrowitz, Helge Müller-Ebhardt, Karsten Danzmann und Roman Schnabel

Q 68: Quantum information: Photons and nonclassical light II (Raum F 142)
• 15:30 (Q 68.7) Entanglement distribution by separable states, Daniela Schulze, Christina E. Vollmer, Tobias Eberle, Vitus Händchen, Jaromír Fiurášek und Roman Schnabel