Untersuchungen am Ein-Atom-Maser mit externer Einkopplung

Hans Kerschbaum

Albrecht Haase

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Grundstein gelegt für die Integration mikrooptischer Elements auf Atomchips. Dies beinhaltete theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Möglichkeit der Detektion einzelner Atome mit Hilfe von optischen Resonatoren niedriger Güte. Hierfür wurde ein theoretisches Model zur Beschreibung des gekoppelten Systems Atom-Resonator entwickelt. Angewandt auf einen optischen Faserresonator auf dem Atomchip, sagt dieses Model das Erreichen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von über 30 für die Einzelatomdetektion voraus, für Meßintervalle von 10µs. Des weiteren wurde ein Experiment mit kalten Rubidium Atomen aufgebaut, das den ersten Atomchip mit integriertem Faserresonator aufnehmen wird. Eine Serie von Experimenten mit einem makroskopischen Testresonator, der in seinen Eigenschaften einem Faserresonantor gleicht, wurde durchgeführt. Indem man den Resonator sehr nah am konzentrischen Punkt betreibt, kann dessen Fokusbreite auf 12µm reduziert werden, bei einer Finesse von 1200. Diese Parameter liegen in der gleichen Größenordnung wie die eines Faserresonators. Experimente mit Atomen, die frei durch den Resonator fallen oder mit Hilfe eines magnetischen Leiters hindurchgeführt werden, bestätigten die Voraussagen der Theorie bezüglich des Einflusses der Atome auf das Resonatortransmissionssignal.

Hermann Senftleben

Stefan Rinner

Es werden Experimente am Ein-Atom-Maser (Mikromaser) zu den Grundlagen der Quantenmechanik vorgestellt. Insbesondere wird auf die Relevanz des Dekohärenzproblems hinsichtlich der Realisierung von Quantencomputern eingegangen. Die vorgestellten Experimente bilden ein einfaches Modellsystem, an dem sich dieser Vorgang studieren lässt. Hauptaugenmerk liegt auf der Erzeugung eines Superpositionszustands, der nur aus den |0>- und |1>-Komponenten des Photonfeldes des Mikromasers besteht. An ihm lassen sich die Auswirkungen der Dekohärenz besonders deutlich studieren (nur zwei Komponenten bilden den überlagerten Zustand). Das gleiche Ziel lässt sich durch Kopplung zweier Mikromaser erreichen, von denen einer den Vakuumzustand |0>, der andere den Ein-Photon-Zustand |1> enthält. Die erwünschte kohärente Überlagerung entsteht hier durch das Tunneln des Photons zwischen den gekoppelten Resonatoren. Zusätzlich enthält die Arbeit Vorschläge, wie mit dem Ein-Atom-Maser die Bell'sche Ungleichung getestet und die Teleportation eines Quantenzustands verwirklicht werden kann.

Felix Dangel

Optische Gitter erlauben die kontrollierte experimentelle Realisierung von Vielteilchen-Quantensystemen und werden theoretisch über Bose-Hubbard-Modelle beschrieben. Die vorliegende Arbeit untersucht dynamische Aspekte gekoppelter Bose-Hubbard-Modelle mit Hilfe numerischer Simulationen. Konkret wird die zeitliche Entwicklung eines anfangs gefüllten Teilchenreservoirs bei Ankopplung an ein leeres System betrachtet. Dies komplementiert existierende Analysen der Auskopplung in leere Reservoire. Weiterhin wird die Konfiguration des Bades variiert, um Einkopplung in das leere System zu optimieren. Empirische Resultate zeigen, dass die initiale Einkopplung von Teilchen näherungsweise quadratisch erfolgt.

Wilhelm Sch�tz