Over the last decade quantum information processing (QIP) has exploded into a major field of physics, studied both experimentally and theoretically with a universal quantum computer as a long-term vision. Ions stored as strings in linear Paul traps are among the most promising systems for constructing a quantum device harnessing the computing power inherent in the laws of quantum physics. The two most important challenges in trapped ion quantum computing today are to realize and control systems with large numbers of ions, and to improve and integrate the operations which serve as basic building blocks, in particular universal gate operations. Quite surprisingly, even after many years of intense research with different atom species, it is still not evident which ion is best suited for QIP. This thesis describes the construction of a new experiment built to study a promising candidate qubit, namely the calcium isotope 43Ca+. Due to its nuclear spin of I = 7/2, the isotope 43Ca+ exhibits a relatively complicated level structure, compared to other ions used so far for QIP. This work develops various strategies to successfully control such a complex level scheme. Initially we investigated the hyperfine structure of the 4s S1/2 ↔ 3d D5/2 quadrupole transition at a wavelength of 729 nm by laser spectroscopy using a single trapped 43Ca+ ion. We determined the hyperfine structure constants of the metastable level as AD5/2 = −3.893 12(3)MHz and BD5/2 = −4.239(1)MHz. The isotope shift of this transition with respect to 40Ca+ was measured to be ∆ iso /(2π) = 4 134 711 720(390)Hz. Armed with this knowledge, we were able to demonstrate ground-state cooling, robust state initialization and efficient readout of a qubit encoded in the ground-state hyperfine structure of a 43Ca+ ion. A microwave and a Raman light field were used to drive qubit transitions, and the coherence times for both fields were compared. Phase errors due to interferometric instabilities in the Raman field generation were not limiting the experiments on a time scale of at least 100ms. Even in the presence of magnetic field fluctuations we found a quantum information storage time exceeding one second. We implemented a Molmer-Sorensen type gate operation, entangling ions with a fidelity of 99.3(1)%. The gate was performed on a pair of qubits encoded in two trapped 40Ca+ ions using an amplitude-modulated laser beam interacting with both ions at the same time. A robust gate operation, mapping separable states onto maximally entangled states was achieved by adiabatically switching the laser-ion coupling on and off. The performance of a single gate and concatenations of up to 21 gate operations were analyzed. Concerning the fidelity, this result sets a world record for creating two-qubit entanglement on-demand irrespective of the physical realization considered. Zusammenfassung Die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als experimentelles und theoretisches Teilgebiet der Physik mit dem universellen Quantencomputer als Fernziel entwickelte sich innerhalb der letzten Dekade geradezu explosionsartig. Fur die technische Realisierung einer Maschine zur Ausnutzung der den Gesetzen der Quantenmechanik eigenen Rechenkraft gibt es eine Vielzahl an Moglichkeiten. Ionen, die sich in linearen Paul-Fallen wie auf einer Perlenschnur aufreihen, haben sich dabei mittlerweile als sehr vielversprechenden Ansatz etabliert. Die beiden grosten Herausforderungen der Ionenfallen-Experimente zur QIV bestehen gegenwartig in der Skalierung zu einer Vielzahl kontrollierter Quantenbits und in der Verbesserung und Integration der bereits demonstrierten Grundbausteine, insbesondere universeller Gatteroperationen. Uberraschenderweise ist auch nach vielen Jahren intensiver Forschung unklar, welche Ionen-Sorte zu diesem Zweck am besten geeignet ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau eines neuen Experiments zur Untersuchung des Calciumisotops 43Ca+ als attraktiven Kandidaten. Aufgrund des Kernspins von I = 7/2 hat das Isotop 43Ca+, verglichen mit Atomsorten, die bisher fur die QIV verwandt wurden, ein komplizierteres Energieniveauschema. Diese Arbeit diskutiert die daraus resultierenden Moglichkeiten und beschreibt deren experimentelle Realisierung, so dass diese Komplexitat erfolgreich genutzt werden kann. Zunachst wurde die Hyperfein-Struktur des 4s S1/2 ↔ 3d D5/2 Quadrupol-Ubergangs bei einer Wellenlange von 729 nm mittels Laserspektroskopie an einem einzelnen 43Ca+Ion untersucht. Die Hyperfein-Konstanten des metastabilen Energieniveaus wurden zu AD5/2 = −3.893 12(3)MHz, BD5/2 = −4.239(1)MHz bestimmt. Als Nebenprodukt ergab sich die Isotopieverschiebung auf diesem Ubergang bezogen auf 40Ca+ zu ∆ iso /(2π) = 4 134 711 720(390)Hz. Mit diesem Wissen gelang es einzelne 43Ca+-Ionen nahe an den Bewegungsgrundzustand einer Mode zu kuhlen, sowie 43Ca+-Hyperfein-Qubits mit hoher Gute zu initialisieren und auszulesen. Die Koharenzzeiten dieses Hyperfein-Qubits wurden mit einem Mikrowellenfeld und einem Raman-Lichtfeld gemessen. Trotz der Anwesenheit magnetischer Storfelder konnte Quanteninformation uber eine Sekunde gespeichert werden. Auserdem ergaben Messungen, dass die interferometrischen Stabilitatsanforderungen der Raman-Lichtfelder, auf einer Zeitskala von 100ms keine Limitierung darstellen. Die Arbeit schliest mit der Beschreibung einer Molmer-Sorensen Gatteroperation, die verschrankte Zustande mit einer Gute von 99.3(1)% erzeugte. Dieser Gattertyp wurde erstmals auf einem optischen Qubit mittels eines amplitudenmodulierten Lasers realisiert, der an zwei 40Ca+-Ionen gleichermasen koppelte. Eine robuste Gatteroperation, die separable in verschrankte Zustande uberfuhrt, wurde durch adiabatisches Anund Ausschalten dieses Lasers erreicht. Zur Bestimmung moglicher Fehlerquellen wurden bis zu 21 aneinandergereihte Gatteroperationen analysiert. Bezuglich der erreichten Gute stellt das Ergebnis die momentan beste deterministische Zwei-Qubit-Verschrankungsoperation aller bekannter Systeme dar.
Over the last decade quantum information processing (QIP) has exploded into a major field of physics, studied both experimentally and theoretically with a universal quantum computer as a long-term vision. Ions stored as strings in linear Paul traps are among the most promising systems for constructing a quantum device harnessing the computing power inherent in the laws of quantum physics. The two most important challenges in trapped ion quantum computing today are to realize and control systems with large numbers of ions, and to improve and integrate the operations which serve as basic building blocks, in particular universal gate operations. Quite surprisingly, even after many years of intense research with different atom species, it is still not evident which ion is best suited for QIP. This thesis describes the construction of a new experiment built to study a promising candidate qubit, namely the calcium isotope 43Ca+. Due to its nuclear spin of I = 7/2, the isotope 43Ca+ exhibits a relatively complicated level structure, compared to other ions used so far for QIP. This work develops various strategies to successfully control such a complex level scheme. Initially we investigated the hyperfine structure of the 4s S1/2 ↔ 3d D5/2 quadrupole transition at a wavelength of 729 nm by laser spectroscopy using a single trapped 43Ca+ ion. We determined the hyperfine structure constants of the metastable level as AD5/2 = −3.893 12(3)MHz and BD5/2 = −4.239(1)MHz. The isotope shift of this transition with respect to 40Ca+ was measured to be ∆ iso /(2π) = 4 134 711 720(390)Hz. Armed with this knowledge, we were able to demonstrate ground-state cooling, robust state initialization and efficient readout of a qubit encoded in the ground-state hyperfine structure of a 43Ca+ ion. A microwave and a Raman light field were used to drive qubit transitions, and the coherence times for both fields were compared. Phase errors due to interferometric instabilities in the Raman field generation were not limiting the experiments on a time scale of at least 100ms. Even in the presence of magnetic field fluctuations we found a quantum information storage time exceeding one second. We implemented a Molmer-Sorensen type gate operation, entangling ions with a fidelity of 99.3(1)%. The gate was performed on a pair of qubits encoded in two trapped 40Ca+ ions using an amplitude-modulated laser beam interacting with both ions at the same time. A robust gate operation, mapping separable states onto maximally entangled states was achieved by adiabatically switching the laser-ion coupling on and off. The performance of a single gate and concatenations of up to 21 gate operations were analyzed. Concerning the fidelity, this result sets a world record for creating two-qubit entanglement on-demand irrespective of the physical realization considered. Zusammenfassung Die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als experimentelles und theoretisches Teilgebiet der Physik mit dem universellen Quantencomputer als Fernziel entwickelte sich innerhalb der letzten Dekade geradezu explosionsartig. Fur die technische Realisierung einer Maschine zur Ausnutzung der den Gesetzen der Quantenmechanik eigenen Rechenkraft gibt es eine Vielzahl an Moglichkeiten. Ionen, die sich in linearen Paul-Fallen wie auf einer Perlenschnur aufreihen, haben sich dabei mittlerweile als sehr vielversprechenden Ansatz etabliert. Die beiden grosten Herausforderungen der Ionenfallen-Experimente zur QIV bestehen gegenwartig in der Skalierung zu einer Vielzahl kontrollierter Quantenbits und in der Verbesserung und Integration der bereits demonstrierten Grundbausteine, insbesondere universeller Gatteroperationen. Uberraschenderweise ist auch nach vielen Jahren intensiver Forschung unklar, welche Ionen-Sorte zu diesem Zweck am besten geeignet ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau eines neuen Experiments zur Untersuchung des Calciumisotops 43Ca+ als attraktiven Kandidaten. Aufgrund des Kernspins von I = 7/2 hat das Isotop 43Ca+, verglichen mit Atomsorten, die bisher fur die QIV verwandt wurden, ein komplizierteres Energieniveauschema. Diese Arbeit diskutiert die daraus resultierenden Moglichkeiten und beschreibt deren experimentelle Realisierung, so dass diese Komplexitat erfolgreich genutzt werden kann. Zunachst wurde die Hyperfein-Struktur des 4s S1/2 ↔ 3d D5/2 Quadrupol-Ubergangs bei einer Wellenlange von 729 nm mittels Laserspektroskopie an einem einzelnen 43Ca+Ion untersucht. Die Hyperfein-Konstanten des metastabilen Energieniveaus wurden zu AD5/2 = −3.893 12(3)MHz, BD5/2 = −4.239(1)MHz bestimmt. Als Nebenprodukt ergab sich die Isotopieverschiebung auf diesem Ubergang bezogen auf 40Ca+ zu ∆ iso /(2π) = 4 134 711 720(390)Hz. Mit diesem Wissen gelang es einzelne 43Ca+-Ionen nahe an den Bewegungsgrundzustand einer Mode zu kuhlen, sowie 43Ca+-Hyperfein-Qubits mit hoher Gute zu initialisieren und auszulesen. Die Koharenzzeiten dieses Hyperfein-Qubits wurden mit einem Mikrowellenfeld und einem Raman-Lichtfeld gemessen. Trotz der Anwesenheit magnetischer Storfelder konnte Quanteninformation uber eine Sekunde gespeichert werden. Auserdem ergaben Messungen, dass die interferometrischen Stabilitatsanforderungen der Raman-Lichtfelder, auf einer Zeitskala von 100ms keine Limitierung darstellen. Die Arbeit schliest mit der Beschreibung einer Molmer-Sorensen Gatteroperation, die verschrankte Zustande mit einer Gute von 99.3(1)% erzeugte. Dieser Gattertyp wurde erstmals auf einem optischen Qubit mittels eines amplitudenmodulierten Lasers realisiert, der an zwei 40Ca+-Ionen gleichermasen koppelte. Eine robuste Gatteroperation, die separable in verschrankte Zustande uberfuhrt, wurde durch adiabatisches Anund Ausschalten dieses Lasers erreicht. Zur Bestimmung moglicher Fehlerquellen wurden bis zu 21 aneinandergereihte Gatteroperationen analysiert. Bezuglich der erreichten Gute stellt das Ergebnis die momentan beste deterministische Zwei-Qubit-Verschrankungsoperation aller bekannter Systeme dar.
Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.
For quantum-information processing (QIP) with trapped ions, the isotope 43Ca+ offers the combined advantages of a quantum memory with long coherence time, a high-fidelity readout, and the possibility of performing two-qubit gates on a quadrupole transition with a narrow-band laser. Compared to other ions used for quantum computing, 43Ca+ has a relatively complicated level structure. We discuss how to meet the basic requirements for QIP and demonstrate ground-state cooling, robust state initialization, and efficient readout for the hyperfine qubit with a single 43Ca+ ion. A microwave field and a Raman light field are used to drive qubit transitions, and the coherence times for both fields are compared. Phase errors due to interferometric instabilities in the Raman field generation do not limit the experiments on a time scale of 100 ms. We find a quantum-information storage time of many seconds for the hyperfine qubit.
We report on experiments with strings of laser-cooled Ca+ ions for quantum information processing. An experiment using the isotope 43Ca+ was set up from scratch. We devised techniques for loading and laser-cooling 43Ca+ ion strings, initializing the ions in the hyperfine clock states and reading out the quantum state with high efficiency. Coherence times of the qubits are about 1 s. The single-qubit gates were implemented using microwave and Raman excitation, and coupling to the motional state was demonstrated. Very recently, a pair of 43Ca+ ions were entangled for the first time. In a second line of experiments, we demonstrated simple quantum algorithms with few 40Ca+ ions as well as the implementation of a high-fidelity gate operation entangling a pair of ions with a fidelity of 99.3(1)%. Among the milestone experiments are the demonstration and quantum process tomography of a Cirac-Zoller gate with mean fidelity of about 93%, the demonstration of entanglement in a decoherence-free sub space lasting for 20s, the demonstration of deterministic quantum teleportation, a Toffoli gate, deterministic entanglement swapping a partial measurement of a GHZ state preserving entanglement in the remaining qubits, creation and analysis of an 8-ion W-state, the application of entangled ions for precision spectroscopy.
Das Ziel dieser Arbeit war es 40Ca+-Ionen an einen optischen Resonator zu koppeln, um auf diese Weise Resonator-QED-Experimente, mit einer konstanten und deterministischen Kopplung durchzuf¨uhren. Als wichtigstes Ergebnis ist es erstmals gelungen, im kontinuierlichen Betrieb kontrollierte Lichtpulse zu erzeugen, die genau ein Photon enthalten. Zun¨achst war es unerl¨asslich, ein bestehendes Experiment weiter zu entwickeln, so wie wichtige Eigenschaften des 40Ca+-Ions zu vermessen. Dazu wurde die bisherige Falle durch eine verbesserte Ionenfalle ersetzt. Diese wurde charakterisiert, wobei insbesondere eine verbesserte Mikrobewegungskompensation nachgewiesen wurde. Zur Durchf¨uhrung der hier vorgestellten Experimente, wurde das bestehende Lasersystem weiterentwickelt und ein zus¨atzliches System aufgebaut. Zudem wurde der optische Resonator und dessen Stabilisierung den Anforderungen der Resonator-QED-Experimente angepasst. Um Aufladungen dielektrischer Materialien in der Fallenumgebung zu vermeiden, wurde die Photoionisation von Kalziumatomen implementiert und die Abh¨angigkeit der Ladeezienz von den Laserparametern bestimmt. Da aufgrund der reichhaltigen Niveaustruktur von 40Ca+-Ionen eine Vielzahl von Eekten auftreten, wurden die spektroskopischen Eigenschaften von 40Ca+-Ionen detailiert vermessen. Dazu geh¨ort neben den Anregungsspektren die Messung der Lebensdauer des D5/2 -Niveaus und die genaue Untersuchung des Hanle-Eekts zur Magnetfeld- Kompensation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zudem die g(2)-Funktion der Fluoreszenz des Ions studiert. Auch die Ergebnisse dieser Messung spiegeln die komplexe Niveau-Struktur des Ions wieder. Da die Lokalisierung der Ionen in der Falle von großer Bedeutung ist und diese nur durch Laserk¨uhlung der Ionen in der Falle optimiert werden kann, wurde das Verhalten von 40Ca+-Ionen bei Dopplerk¨uhlung genauer untersucht. Neben dem K¨uhlen der Ionen ist auch die Mikrobewegung des Ions in der Falle f¨ur dessen Lokalisierung von essenziellem Interesse. Kombiniert man einen optischen Resonator mit einer Ionenfalle, so treten aufgrund der Verzerrung des Fallenfeldes Wechselwirkungen zwischen den Spiegeln und den Ionen auf, die zu Mikrobewegung f¨uhren. Dieser Eekt wurde vermessen und mit Simulationen des Fallenfeldes verglichen. Um die relative Lage des Ions zur Resonatormode zu bestimmen, wurde ein einzelnes 40Ca+-Ion als nanometrische Probe f¨ur das Resonatorfeld verwendet. Die bisher vorliegenden Daten dieses Experiments wurden im Rahmen dieser Arbeit erweitert und Eekte der Anregung auf die gemessene Fluoreszenzverteilung untersucht. Die genannten Messungen und Entwicklungen erm¨oglichten es letztendlich, Resonator-QED-Eekte nachzuweisen. In dieser Arbeit wurde die stimulierte Emission mehrerer und eines einzelnen Ions in die Resonatormode beobachtet. Desweiteren konnte der Einfluss des Resonators auf die Lebensdauer des P1/2 - Niveau demonstriert werden. Auf der mit diesem Experiment geschaenen Basis ist es gelungen, eine besonders interessante Vorhersage der Resonator-QED zu realisieren, die kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen im Dauerbetrieb. Dabei konnte eine Einzel- Photonenemissions-Wahrscheinlichkeit pro Pumppuls von 8 % erreicht werden. Diese neuartige Lichtquelle wurde im Rahmen dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell intensiv untersucht. Die statistischen Eigenschaften der emittierten Photonen wurden gemessen, und die Erzeugung verschiedener zeitlicher Pulsprofile konnte demonstriert werden.
This thesis describes experimental work towards developing a trapped ion quantum information processor. An existing ion trap apparatus was capable of trapping and laser-cooling single ions or small ion strings of 40 Ca+, and had been used for studies of quantum jumps and natural lifetime measurements in Ca. This thesis describes improvements in this apparatus, which have allowed the stability and the flexibility of experimental control of the ions to be greatly increased. This enabled experiments to read out the spin state of a single trapped ion, and to load ions with isotope selectivity through photoionization. The optical systems were improved by installation of new lasers, optical reference cavities, and a system of acousto-optic modulators for laser intensity switching and frequency control. The photon counting for fluorescence detection was improved, and a new photon time-of-arrival correlation circuit developed. This has permitted rapid and more sensitive detection of micromotion, and hence cancellation of stray fields in the trap. A study of resonant circuits in the low RF, high voltage (10 MHz, 1 kV) regime was carried out with a view to developing a new RF supply for the Paul trap with reduced noise and increased power. A new supply based on a helical resonator was built and used to trap ions. This technique has reduced noise and will permit higher secular frequencies to be attained in the future. A magnetic field B in the ion trap is used to define a quantization axis, and in one series of experiments was required to be of order 100 G to provide a substantial Zeeman splitting. A set of magnetic field coils to control the size and direction of B is described. The design of these posed some problems owing to an unforseen issue with the vacuum chamber. In short, it is magnetizable and acts to first approximation like a magnetic shield. The field coils had to be sufficiently substantial to produce the desired field at the ion even in the presence of this shielding effect, and dark resonance (and other) spectra with Zeeman splitting were obtained to calibrate the field using the ion as a probe. Finally, the thesis describes the successful loading of the ion trap by laser photoionization from a weak atomic beam. This involved two new lasers at 423 nm and 389 nm. Saturated absorption spectroscopy of neutral calcium is first described, then transverse excitation of an atomic beam in our vacuum chamber is used to identify all the main isotopes of calcium and confirm their abundances in our source (a heated sample of natural calcium). Finally, photoionization is used to load the trap. This has three advantages over electron-impact ionization. By avoiding an electron gun, we avoid charging of insulating patches and subsequent electric field drift as they discharge; the flux in the atomic beam and hence calcium (and other) deposits on the electrodes can be greatly reduced; and most importantly, the photoionization is isotope selective. Evidence is presented which suggests that even with an non-enriched source, the rare isotope 43 Ca can be loaded with reasonable efficiency. This isotope is advantageous for quantum information experiments for several reasons, but chiefly because its ground state hyperfine structure can act as a stable qubit.
Natürliches Quecksilber bietet eine Vielzahl möglicher Experimente auf dem Gebiet der kalten Atom- und Molekülphysik. Durch Photoassoziation erzeugte kalte Hg-Dimere lassen sich aufgrund der Struktur ihrer Potentialkurven in den Schwingungsgrundzustand pumpen. Hg-Dimere des Isotops 199Hg eignen sich zum Testen der Bell’schen Ungleichungen für Atome, da sie im Grundzustand ideale Spin-1/2-Teilchen darstellen. Als schweres Dimer eignet sich Quecksilber ideal zur Suche nach einem permanenten elektrischen Diplomoment. Weiter bietet der 1S0-3P0-Übergang mit einer Wellenlänge von 265,6 nm und einer natürlichen Linienbreite von ca. 100 mHz als Uhrenübergang an. Eine optische Gitteruhr basierend auf neutralen Hg-Atomen könnte eine unerreichte systematische Ungenauigkeit im 10^-18-Bereich bieten. Der Vergleich verschiedener Zeitstandards eignet sich zur Untersuchung einer möglichen zeitlichen Variation der Feinstrukturkonstante. Kalte gefangene Hg-Atome in einer magneto-optischen Falle (MOT) stellen eine hervorragende Quelle für eine Ionenfeinstrahlanlage dar. Die Isotopenselektivität der MOT bietet die Möglichkeit zur Produktion reiner Hg-Isotope. Quecksilber bietet fünf bosonische und zwei fermionische stabile Isotope. Die als Kühlübergang eingesetzte Interkombinationslinie 1S0-3P1 bei 253,7 nm hat eine Sättigungsintensität von 10,2 mW/cm2, mit einer natürlichen Linienbreite von 1,27 MHz. Da der Grundzustand keine Fein- oder Hyperfeinstruktur aufweist, ist der Übergang geschlossen, so dass kein Rückpumplaser benötigt wird. Die vergleichsweise lange Lebensdauer des Übergangs führt zu einer geringen Doppler-limitierten Temperatur von 30 uK. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und den Aufbau einer MOT für neutrale Hg-Atome vor. Zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen war die Entwicklung eines bis heute nicht erhältlichen Lasers notwendig. Die Anforderungen an diesen Laser sind aufgrund der relativ hohen Sättigungsintensität und der geringen natürlichen Linienbreite und Wellenlänge des Kühlübergangs sehr hoch. Die entwickelte UV-Laserquelle basiert auf einem schmalbandigen, weitverstimmten single-mode und single-frequency Yb:YAG Scheibenlaser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 5 W bei einer Wellenlänge von 1014,9 nm. Durch zweifache externe Frequenzverdopplung wird eine bisher unerreichte Laserleistung von 280 mW bei 253,7 nm generiert. Als nichtlineares Medium werden ein LBO- und ein BBO-Kristall innerhalb zweier getrennter Überhöhungsresonatoren eingesetzt. Diese Resonatoren werden nach dem Hänsch-Couillaud- bzw. Pound-Drever-Hall-Verfahren stabilisiert. Die Stabilisierung der Fundamentalen erfolgt mittels Sättigungsspektroskopie an einer Hg-Zelle. Dies ermöglicht die absolute Stabilisierung auf den atomaren Übergang des zu fangenden Isotops mit Frequenzmodulationsspektroskopie. Mit diesem Laser und dem in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Aufbau wurden erste Experimente zum Kühlen und Fangen von Hg-Atomen in einer 3D-MOT durchgeführt. Quecksilber stellt das bisher schwerste nichtradioaktive Element dar, das in einer MOT gefangen wurde. Bis heute gibt es weltweit nur zwei Arbeitsgruppen, die in der Lage sind, Quecksilber in einer MOT zu kühlen und zu fangen. An der TU Darmstadt wurde unter Verwendung der beschriebenen Laserquelle (3,2+-0,3)x10^6 202Hg-Atome in die 3D-MOT geladen. Dies stellt die höchste bisher berichtete Anzahl gefangener Hg-Atome dar, die aus dem Hintergrundgas geladen wurden. Erstmals wurden die Dimension und die Dichte einer solchen Atomwolke bestimmt.