ojenek gerjesztesehez a sugarzas frekvenciajanak illeszkednie kell az alap- es gerjesztett allapotok energiakulonbsegehez, ¯ = Ee − Eg. A perdulet megmaradasa kivalasztasi szabalyokra vezet: a feny polarizacioja meghatarozza, hogy milyen forgasszimmetriaju elektronallapotok kozott johet letre atmenet. A lenduletmegmaradas teljesitesehez, vegul, az atomhej rendszereb˝ ol kilepve a tomegkozepponti mozgas szabadsagi fokat is figy elembe kell vennunk.
ojenek gerjesztesehez a sugarzas frekvenciajanak illeszkednie kell az alap- es gerjesztett allapotok energiakulonbsegehez, ¯ = Ee − Eg. A perdulet megmaradasa kivalasztasi szabalyokra vezet: a feny polarizacioja meghatarozza, hogy milyen forgasszimmetriaju elektronallapotok kozott johet letre atmenet. A lenduletmegmaradas teljesitesehez, vegul, az atomhej rendszereb˝ ol kilepve a tomegkozepponti mozgas szabadsagi fokat is figy elembe kell vennunk.
A kvantumoptika a fotonika gyorsan növekvő ága, amely a kvantumszámítások, a telekommunikáció, valamint titkosító kulcsok megosztására alkalmas eszközök és módszerek megvalósítását célozza.[1] A kvantumoptikai távközlő rendszerek egyik legfontosabb eleme a fényforrás, amely összefonódott fotonpárokat bocsát ki.[2] Az alkalmazott fotonpárok leggyakrabban energia-idő összefonódással, vagy polarizációban megvalósuló összefonódással rendelkeznek.Munkánk célja, hogy polarizációban összefonódott, 810 nm hullámhosszú fotonpárokat előállító forrásokat fejlesszünk, melyek szabadtéri kvantumoptikai távközlő és kulcsmegosztó rendszerekben hatékonyan alkalmazhatóak.Célunk, hogy robosztus, hordozható, és az alkalmazás számára elegendő fotonfluxust előállító forrást hozzunk létre.Az összefonódott fotonpárok előállítására leggyakrabban a spontán parametrikus lekonverzió (SPDC) jelenségét használják fel, mely nemlineáris optikai kristályokban zajlik le.A pumpálásra használt fény fotonja alakul át egy fotonpárrá, melynek összenergiája a pumpafoton energiájával egyezik meg.A kristály anyaga leggyakrabban béta bárium borát (BBO), vagy periodikusan polarizált kálium titanil foszfát (ppKTP) [3] Ez utóbbi használatakor a kristály hőmérsékletét stabilizálni kell.Ennek elkerülése érdekében a jelenlegi munkánk során BBO kristályt használtunk.A BBO kristályok két típusával foglalkoztunk.Az I. típusú BBO kristályt extraordinárius polarizációjú pumpafénnyel kell gerjeszteni, a lekonvertált fotonok ordinárusak, és jellemzően egy kúppalást mentén detektálhatóak nagy valószínűséggel.A II. típusú kristályból kilépő lekonvertált fotonpárok egyike ordinárius, másika extraordinárius polarizációjú.A kristályt elhagyó fotonok két egymást metsző kúppalást mentén terjednek.A kúpok két közös alkotójában a detektálható fotonok polarizációban összefonódottak és Bell-állapotban vannak [4], ami jól használható titkosító kulcsok megosztására.Jelen cikkünkben bemutatjuk, milyen körülmények között használható a II.típusú BBO kristály Bell-állapotú, polarizációban összefonódott fotonok előállítására.Bemutatjuk fáziskompenzáló módszerünket, mellyel az összefonódottság bázisfüggetlen láthatósága javítható.Bemutatjuk a fáziskompenzált fényforráson elvégzett Bell-teszt eredményeit.Beszámolunk továbbá egy I. típusú kristállyal működő kompakt fotonpár forrás fejlesztésében elért eredményeinkről is.
A diszkrét koherens állapot szupeprozícókkal történő állapotközelítésre vonatkozó eredményekből kiindulva felmerült, hogy \nolyan alakzatokon is érdemes lenne megvizsgálni a közelítést, ahol a diszkrét szuperpozíciók megtalálásához egydimenziós reprezentációk nem állnak rendelkezésre. Az irodalomban tapasztalat az is, hogy az állapotok Wigner-függvényére illeszkedő alakzatokon vett koherens állapot szuperpozíciók közelítik jól ezen állapotokat. Ezért célom, hogy numerikus módszert dolgozzak \nki különböző nemklasszikus állapotokat közelítő a fázistér origó középpontú ellipszisei mentén és rácson vett diszkrét koherens \nállapot szuperpozíciók megtalálására. Célom, hogy az összenyomott és eltolt fotonszámállapotok esetén megvizsgáljam, hogy \na fázistér origó középpontú ellipszein vett koherens állapot szuperpozíciók megfelelő pontossággal közelítik-e az adott állapotot. \nCélom, hogy megállapítsam, hogy a kvantált elektromágneses tér mely állapotai közelíthetőek nagy pontossággal rácson vett koherens állapot szuperpozíciókkal.
A közelmúltban a kvantumszámítógépek jelentős érdeklődést váltottak ki, ami nem csak potenciális technológiai jelentőségét tükrözi, de komoly kihívást is jelent fizikai megvalósítása. Egy kvantumszámítógép megépítésének nehézsége abban rejlik, hogy olyan fizikai rendszert találjunk, amely rendelkezik a informatikai számításokhoz szükséges nemlineáris kölcsönhatásokkal, és ezzel egyidejűleg vezérelhető is, de nem kapcsolódik olyan erősen a környezethez, hogy a kvantumkoherencia gyorsan elvesszen. Ezért dolgozatom első részében áttekintem egy kvantum-Turing gép főbb részeit és tulajdonságait. A mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia sokáig vezető szerepet játszott abban, hogy kis méretben viszonylag egyszerű eszköze legyen a technológia demonstrálásának. A Bell-egyenlőtlenségek által leírt két kvantumos rendszer létrehozásával, egyszerű kvantum logikai áramkörök és logikai kapuk kialakításával és effektív tiszta állapotok megvalósításával olyan kísérletek hajthatóak végre, amelyekkel a kvantumösszefonódás és ennek hatása vizsgálható. Ezeknek a kísérleteknek a szimulálásával a kvantummechanika jobban megérthető és segítik az elméleti hátteret mélyebben megismerni. Így a második felében a dolgozatomnak ezeknek a technikáknak a sajátosságait vettem át.
A semleges atomok és atomi ionok ultrahideg, jóval 1 millikelvin alatti, hőmérsékletekre történő lézeres hűtésére és csapdázására irányuló kutatások olyan jelentős eredményekhez vezettek, mint például a kvantumdegenerált gázok előállítása vagy egyetlen csapdázott ion precíz manipulálása. Mintegy 25 évvel ezelőtt merült fel a két kísérleti technika egyesítésének gondolata, amely lehetővé tenné az atom-ion kölcsönhatások kvantummechanikai természetének vizsgálatát ezekben az úgynevezett hibrid csapdákban. Az ultrahideg semleges atomi gázokban nagy részecsketávolságoknál a dinamikát az R−6 szerint változó van der Waals-kölcsönhatás határozza meg. A hibrid csapdákban azonban az R−4 távolságfüggést mutató, töltés - indukált dipólus közötti kölcsönhatás dominál. A kvantummechanikai tartomány elérése ezért továbbra is jelentős kihívást jelent, mivel ehhez még alacsonyabb hőmérsékletekre van szükség. Az ilyen hibrid rendszerek többek között a töltéstranszport és a kvantumgázokban jelen lévő szennyeződések vizsgálatára is alkalmasak lehetnek, emellett ígéretes lehetőséget kínálnak a kvantum-szimulátorok területén. A jelen doktori munka alkálifém atomok és alkáliföldfém ionok ultrahideg ütközéseinek kvantummechanikai leírásával foglalkozik, különös tekintettel azokra a rugalmatlan folyamatokra, amelyek a csapdázott részecskék számának csökkenéséhez vezethetnek. Doktori munkám során két, kísérleti szempontból releváns, ütközési rendszert vizsgáltam: Li-atomok Ba+ ionokkal, valamint Rb-atomok Sr+ -ionokkal történő ütközését, ahol az iont mindkét esetben metastabil gerjesztett állapotba preparálták. A disszertáció a kutatási terület áttekintésével kezdődik, a kísérletileg megvalósult atom-ion kombinációkra fókuszálva. Ezt követően bemutatom ezen rendszerek elméleti leírásához szükséges módszereket. A molekulaionok leírását a Born-Oppenheimer közelítés keretében tárgyalom, amely a csoportunkban fejlesztett kvantumkémiai programmal számí- tott potenciális energia görbék meghatározásának alapját képezi. Ismertetem az impulzusmomentumok csatolásának alapjait a Hund-féle csatolási eseteken keresztül, valamint bevezetem a munkám szempontjából kulcsfontosságú spin-pálya kölcsönhatást. Ezt követően bemutatom a Langevin-modellt, amely az atom-ion ütközések hasznos klasszikus leírását adja. Munkám alapját a kvantummechanikai szóráselmélet képezi, amelynek főbb lépéseit, valamint az általam használt és továbbfejlesztett numerikus programot mutatom be. A módszer alkalmazása során két lépés játszott meghatározó szerepet. Egyrészt az atom-ion kölcsönhatást, amely a molekulaionhoz kötött koordinátarendszerben egyszerűbben írható le, a dinamikai számolásokhoz a laboratóriumi vonatkoztatási rendszerbe kell transzformálni, ami szükségessé tette a vonatkoztatási rendszerek közötti transzformációt. Másrészt az atom-ion kölcsönhatások összetettségét megfelelően kell modellezni, ami esetünkben kvázi-diabatikus eljárások alkalmazását jelentette. A disszertáció utolsó részében a Li/Ba+ és Rb/Sr+ rendszerekre vonatkozó eredményeimet mutatom be. A vizsgálatok több egymással versengő rugalmatlan folyamatot tártak fel, köztük a nem-radiatív töltéskicserélődést, az elektronikus gerjesztési kicserélődést és a finomszerkezeti legerjesztődést. A számított hatáskeresztmetszetek és reakciósebességek jó egyezést mutatnak a rendelkezésre álló kísérleti adatokkal. Az eredmények rámutatnak a spin-pálya kölcsönhatás és a rotációs csatolás erős együttes hatására, amely az alapállapotú részecskék ultrahideg ütközéseire általában nem jellemző. A disszertációt a jövőbeli kutatási lehetőségek bemutatásával zárom, amelyek közé tartozik többek között a modellünkben a részecskék Zeeman-alszintjeinek figyelembevétele, valamint a módszer kiterjesztése más, kísérleti szempontból lényeges atom-ion rendszerre.
A magyar törvénykezésben megjelentek azok a rendeletek, amelyek ráerősítenek arra, hogy gyorsan közeledünk a kvantumszámítógépek korszakához. A teljesen újszerű elveken működő kvantumszámítógépek korábban nem megoldható problémákra hatékony és gyors megoldásokat ígérnek. Az új típusú gépek megjelenése várhatóan nem csak az informatika, a gazdaság és a különféle tudományok területén hoz nagy változásokat, hanem valószínűsíthetően a mindennapi életünkre is erősen hatással lesz. Szükségét érezzük, hogy az oktatási szféra is kövesse a kvantumtechnológia megjelenését, hogy ne érje váratlanul a jövő szakembereit. A tanulmányban szóba kerülnek a témával kapcsolatos jogszabályok, az érintett szakterületek és a kvantuminformatikában rejlő lehetőségek és veszélyek. Továbbá írunk arról, hogy milyen tapasztalatok vannak eddig a kvantuminformatika tanításának gyakorlatában.