Einzelne Rubidiumatome werden quasi-permanent an die Mode eines optischen Resonators hoher Finesse gekoppelt. Dies erlaubt die kohärente Emission und Absorption einzelner Photonen und damit den Informationsaustausch auf Quantenniveau. In einem ersten Experiment wird der Phasenverlauf der erzeugten Einzelphotonen-Wellenpakete mittels Zwei-Photonen-Interferenz untersucht. Während bei ununterscheidbaren Einzelphotonen Koaleszenz auftritt, ändert eine aufgeprägte Phasenmodulation dieses Interferenzverhalten. In einem zweiten Experiment wird ein optischer Quantenspeicher realisiert. Die Polarisation eines Eingangspulses wird im Atom als Überlagerung zweier Spin-Zustände abgespeichert. Das Auslesen des Speichers erfolgt durch Erzeugung eines Photons gleicher Polarisation. Der Speicher wird mittels Quantenprozesstomographie analysiert und zeigt eine hervorragende Wiedergabetreue, Effizienz und Speicherzeit.
Einzelne Rubidiumatome werden quasi-permanent an die Mode eines optischen Resonators hoher Finesse gekoppelt. Dies erlaubt die kohärente Emission und Absorption einzelner Photonen und damit den Informationsaustausch auf Quantenniveau. In einem ersten Experiment wird der Phasenverlauf der erzeugten Einzelphotonen-Wellenpakete mittels Zwei-Photonen-Interferenz untersucht. Während bei ununterscheidbaren Einzelphotonen Koaleszenz auftritt, ändert eine aufgeprägte Phasenmodulation dieses Interferenzverhalten. In einem zweiten Experiment wird ein optischer Quantenspeicher realisiert. Die Polarisation eines Eingangspulses wird im Atom als Überlagerung zweier Spin-Zustände abgespeichert. Das Auslesen des Speichers erfolgt durch Erzeugung eines Photons gleicher Polarisation. Der Speicher wird mittels Quantenprozesstomographie analysiert und zeigt eine hervorragende Wiedergabetreue, Effizienz und Speicherzeit.
Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente zur Speicherung von Zwei-Teilchen-Verschränkung in einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat (BEC).Dabei wird ein einzelnes Atom in einem optischen Resonator hoher Güte zur kontrollierten Erzeugung eines einzelnen Photons verwendet, das mit den inneren Freiheitsgraden des Atoms verschränkt ist.Das Einzelphoton wird in einer optischen Faser zum BEC transportiert und dort gespeichert.Auf diese Weise entsteht Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC.Die Speicherung des Photons geschieht in einem Schema, das auf elektromagnetisch induzierter Transparenz beruht.Da das BEC eine hohe optische Dichte besitzt und keine thermische Bewegung der Atome stattfindet, können sowohl eine hohe Effizienz des Speicherprozesses als auch lange Speicherzeiten erreicht werden.Darüber hinaus können die inneren Zustände der Atome im BEC sehr gut präpariert werden, was die Speicherung eines Qubits in den Spinzuständen der Atome mit hoher Fidelity ermöglicht.Wir weisen die Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC nach, indem wir nach einer variablen Haltezeit das im BEC gespeicherte Photon auslesen und den Zustand des Atoms auf ein zweites Photon abbilden.Die Fidelity des so entstandenen Zwei-Photonen-Zustandes mit dem erwarteten, maximal verschränkten Singulett-Zustand beträgt 95%.Dies zeigt, dass in allen experimentellen Schritten die Verschränkung nahezu perfekt zwischen photonischen und atomaren Qubits umgewandelt wird.Die Atom-BEC-Verschränkung kann noch nach 100 µs nachgewiesen werden.Diese Zeit übersteigt die Dauer der Einzelphotonen um 2 Größenordnungen.Eine notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments war eine gründliche Charakterisierung und Optimierung des Quantenspeichers.Hierzu wurden an der Stelle von Einzelphotonen abgeschwächte Laserpulse mit definierter Polarisation gespeichert.Es zeigt sich, dass selbst nach einer Speicherzeit von 800 µs der mittlere Überlapp des ausgelesenen Polarisationszustandes mit dem Eingangszustand noch 90(2)% beträgt.iii v 5. Stöße und Dynamik in ultrakalten Gasen 5.1.Ultrakalte Quantengase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.Kohärente Atompaar-Molekül-Oszillationen . . . . . . . . . . . . . .5.3.Verluste erzeugen Korrelationen in einem eindimensionalen molekularen Gas . . . . . . . . . . . . .
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al0,48In0,52As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden. Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt. Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu ν=(88±3)% sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.
Die Nutzung von Quanteneigenschaften für die Informationsverarbeitung, die sogenannte Quanteninformationsverarbeitung (QIP), ist ein seit zwei Jahrzehnten zunehmend populäres Forschungsfeld. Es hat sich gezeigt, dass Einzelphotonen die am besten geeigneten Träger für den Transport von Quanteninformation über weite Strecken sind. Obwohl viele Methoden zur Erzeugung von Einzelphotonen existieren, wurde bisher nur wenig Forschungsarbeit an schmalbandigen Einzelphotonen, d.h. mit spektralen Breiten im MHz-Bereich geleistet. Allerdings sind solche Einzelphotonen besonders wichtig, wenn Kopplungen zwischen Einzelphotonen und atomaren Systemen, die oft als Verarbeitungseinheiten in der QIP genutzt werden, realisiert werden sollen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit mehreren Forschungsaspekten zu schmalbandigen Einzelphotonen, die von Bedeutung sind, wenn solche Photonen als Informationsträger genutzt werden sollen. Zunächst wird eine Quelle von schmalbandigen Einzelphotonen vorgestellt, die auf dem Konzept der parametrischen Fluoreszenz innerhalb eines optischen Resonators basiert und die einen konstanten Strom von Photonenpaaren emittiert. Eine statistische Beschreibung dieser Photonenpaare wird vorgestellt und erstmals direkt gemessen. Um Emission in nur eine einzelne Mode zu erreichen, wurde der Photonenstrom mit Hilfe eines speziell entwickelten Mehrpass-Fabry-Perot-Etalons mit geringem Durchlassbereich und sehr hohem Kontrast gefiltert. Photon-Atom-Wechselwirkungen werden im zweiten Teil der Arbeit gezeigt. Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) wird vorgestellt und experimentell demonstriert. Die ersten EIT Experimente in Cäsiumgaszellen bei Raumtemperatur mit Probepulsen, die nur ein einzelnes Photon enthalten, werden demonstriert. Schließlich zeigt ein umfassender Ausblick wie die entwickelten experimentellen Bausteine erweitert werden können, um Einzelphotonenspeicherung zu erlauben und die Technologie für Quantenrepeater zu demonstrieren.
Diese Arbeit demonstriert erstmalig das Phänomen der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) mit einem einzelnen Atom. Ein kohärenter atomarer Dunkelzustand wird dazu verwendet, die Transmission eines Laserstrahls optisch zu kontrollieren. Die dafür notwendige, verstärkte Wechselwirkung von Licht und Materie wird durch die Kopplung des Atoms an die Mode eines optischen Resonators erreicht. Neben der Skalierung des Transmissionsspektrums mit der Atomzahl wird auch die Verlangsamung eines Lichtpulses unter EIT-Bedingungen untersucht. In einem zweiten Experiment wird die effiziente Erzeugung von Atom-Photon-Verschränkung auf der D1-Linie von Rubidium gezeigt. Durch das Abspeichern des Einzelphotons in einem Bose-Einstein-Kondensat wird dieses mit dem einzelnen Atom verschränkt und damit ein elementares, hybrides Quantennetzwerk realisiert.
Motiviert durch den exponentiellen Anstieg der Rechenkapazität den Quantenalgorithmen ermöglichen, hat sich die Quanteninformationsverarbeitung als ein neues, sich rasant entwickelndes Forschungsfeld etabliert. Die Kodierung von Information erfolgt dabei in als Qubits bezeichneten Zwei-Zustands-Systemen, wie sie in einer Vielzahl quantenmechanischer Systeme vorliegen. Ein vielversprechender Ansatz basiert auf neutralen Atomen in Dipolfallen, die sich aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung gut von der Umwelt isolieren lassen und mit ihren internen Zuständen ein geeignetes Quantensystem darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden wichtige Teilschritte für die Implementierung der Quanteninformationsverarbeitung in zweidimensionalen Dipolfallenregistern realisiert. So konnten erstmals die Unterdrückung von Dephasierung, die simultane Adressierung individueller Qubits sowie das kontrollierte Laden und die Detektion einzelner Atome gezeigt werden. Das verwendete Dipolfallenregister wird über die homogene Ausleuchtung von Mikrolinsenregistern erzeugt und zeichnet sich durch eine simple und reproduzierbare Handhabung sowie durch seinen skalierbaren Charakter aus. Ein Fallenabstand von 55 μm erlaubt eine räumliche Auflösung einzelner Qubits mithilfe optischer Verfahren. Als Qubit-Zustände dienen die beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustandes von 85Rb. Die kohärente Kopplung beider Niveaus erfolgt über einen optischen Zwei-Photonen-Raman-Prozess, mit dem sich beliebige Ein-Qubit-Operationen realisieren lassen. Wesentliche Erfolge konnten in dieser Arbeit bei der Minimierung der Dephasierung durch den von der Dipolfalle induzierten differentiellen Stark-Effekt erzielt werden. Zur Unterdrückung dieser Dephasierung wird die differentielle Stark-Verschiebung mittels eines weiteren, nahresonanten Lichtfeldes kompensiert. Durch diese Kompensation kann die effektive Hyperfeinaufspaltung von der Fallentiefe entkoppelt werden. Die so induzierte Unterdrückung der Dephasierung ermöglicht eine synchronisierte Phasenentwicklung der atomaren Qubit-Zustände. Unter Verwendung von Ramsey-Techniken konnte die spektroskopische Auflösung der Hyperfeinaufspaltung dadurch um einen Faktor 70 verbessert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Quanteninformationsverarbeitung besteht in der kontrollierten Initialisierung und Adressierung der Qubits. In dieser Arbeit gelang erstmals die simultane Ansteuerung individueller Qubits mittels eines zweidimensionalen Intensitätsmodulators. Mit diesem Intensitätsmodulator können in Kombination mit mikrooptischen Komponenten sowohl flexible Fallengeometrien, als auch fallenspezifische, räumlich separierte kohärente Manipulationen stabil und zugleich variabel realisiert werden. Die Kontrolle einzelner Atome ist in vielen Ansätzen für die Realisierung von Zwei-Qubit- Wechselwirkungen essentiell. Erstmals wurde in dieser Arbeit das Laden einzelner Atome sowie deren Detektion im Dipolfallenregister gezeigt. Durch eine Änderung des Volumens der Dipolfallen konnte der Übergang zwischen einer statistischen Poisson-verteilten Atomzahl in den einzelnen Fallen zu einer stark Sub-Poisson-verteilten Atomzahl mit maximal einem Atom pro Falle erreicht werden. Lichtinduzierte Zwei-Körper-Verluste führen zu einer Blockade, die eine mittlere Atomzahl von 〈N〉 = 0,5 mit keinem oder exakt einem Atom pro Falle bewirkt. Dieses Blockaderegime erweist sich im untersuchten Bereich als unabhängig von der Laderate und Tiefe der Fallen und ermöglicht das gleichmäßige