An in Paul-Fallen gespeicherten Ionen lassen sich quantenmechanische Effekte untersuchen. Hierzu werden die internen Zustände der Ionen manipuliert und anschließend durch Fluoreszenzmessungen detektiert. Diese Experimente können für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, Ziele hierbei sind beispielsweise die Simulation von Quantensystemen und die Verwirklichung eines Quantencomputers. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Apparatur zum Speichern von Ytterbium-Ionen eine mikrostrukturierte segmentierte Paul-Falle verwendet. Durch den in die Falle integrierten Elektromagneten ist es möglich, die Ionen zu koppeln (Magnetic Gradient Induced Coupling - MAGIC) und mittels Mikrowellenstrahlung zu adressieren. Durch die segmentierten Elektroden können die Ionen innerhalb der Falle kontrolliert bewegt werden und es lässt sich deren Wechselwirkung einstellen. Ein mit Dickschichttechnik bedruckter Keramikblock dient als kompakte Vakuumdurchführung der über siebzig elektrischen Signale, die für den Betrieb der Falle benötigt werden. Alle weiteren für die Versuchsapparatur benötigten Komponenten wie der Vakuumrezipient und die Laserstrahlquellen wurden aufgebaut. Für die Erzeugung von Laserstrahlung bei 369 nm durch Frequenzverdopplung wird erstmals ein Bismuth-Triborat-Kristall genutzt. An den gespeicherten Ionen werden kohärente Rabi- und Ramsey-Messungen durchgeführt. Durch Messung der Energiedifferenz der einzelnen Zeeman-Niveaus lässt sich das Magnetfeld am Ort des Ions mit einer relativen Unsicherheit von einem ppm bestimmen.
An in Paul-Fallen gespeicherten Ionen lassen sich quantenmechanische Effekte untersuchen. Hierzu werden die internen Zustände der Ionen manipuliert und anschließend durch Fluoreszenzmessungen detektiert. Diese Experimente können für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, Ziele hierbei sind beispielsweise die Simulation von Quantensystemen und die Verwirklichung eines Quantencomputers. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Apparatur zum Speichern von Ytterbium-Ionen eine mikrostrukturierte segmentierte Paul-Falle verwendet. Durch den in die Falle integrierten Elektromagneten ist es möglich, die Ionen zu koppeln (Magnetic Gradient Induced Coupling - MAGIC) und mittels Mikrowellenstrahlung zu adressieren. Durch die segmentierten Elektroden können die Ionen innerhalb der Falle kontrolliert bewegt werden und es lässt sich deren Wechselwirkung einstellen. Ein mit Dickschichttechnik bedruckter Keramikblock dient als kompakte Vakuumdurchführung der über siebzig elektrischen Signale, die für den Betrieb der Falle benötigt werden. Alle weiteren für die Versuchsapparatur benötigten Komponenten wie der Vakuumrezipient und die Laserstrahlquellen wurden aufgebaut. Für die Erzeugung von Laserstrahlung bei 369 nm durch Frequenzverdopplung wird erstmals ein Bismuth-Triborat-Kristall genutzt. An den gespeicherten Ionen werden kohärente Rabi- und Ramsey-Messungen durchgeführt. Durch Messung der Energiedifferenz der einzelnen Zeeman-Niveaus lässt sich das Magnetfeld am Ort des Ions mit einer relativen Unsicherheit von einem ppm bestimmen.
Lasergekühlte Ionenketten in mikrostrukturierten Paul-Fallen (Mikrofallen) bieten ein großes Potential für Anwendungen in den Quanteninformationswissenschaften. Sie können in einer dekohärenzarmen Umgebung präpariert und manipuliert, und ihre Zustände mit einer Effizienz von fast 100% detektiert werden. Mit zusätzlichen Magnetfeldgradienten ist es möglich, die Ionen im Frequenzraum zu adressieren und zu koppeln (MAGIC-Methode - MAgnetic Gradient Induced Coupling).\nIn dieser Arbeit wurde eine neuartige Mikrofalle mit integrierten Elektromagneten entwickelt, in Betrieb genommen und charakterisiert. Das durch die integrierten Elektromagnete erzeugte steuerbare Magnetfeld wurde darauf optimiert, am Ort der Ionen einen möglichst großen Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Mikrofalle besteht aus drei übereinander liegenden Lagen. Die äußeren Lagen erzeugen das Fallenpotential, durch die mittlere Fallenlage wird der Magnetfeldgradient erzeugt. Mit insgesamt 33 Elektrodenpaaren können die Ionen entlang der Fallenachse bewegt und ihre Spin-Spin Kopplung kontrolliert werden. Die Mikrofalle wurde auf einem mit Dickschichttechnik bedruckten Keramikblock montiert, der sowohl alle elektrischen Anschlüsse für die Mikrofalle bereit stellt, als auch als Vakuumdurchführung dient. Mit dieser für Anwendungen mit Ionenfallen neuartigen Technologie wurde ein Vakuum im niedrigen 10-11 mbar-Bereich erzielt. In der Mikrofalle wurden 172Yb+-Ionen gespeichert, über 2mm transportiert und im Magnetfeldgradienten der Elektromagnete manipuliert. Einzelne Ionen wurden als Magnetfeldsonden benutzt, auf diese Weise wurden relative Genauigkeiten von Delta B/B0 = 7 · 10-6 erreicht. Die Adressierung zweier Ionen im Magnetfeldgradienten mittels der MAGIC-Methode wurde demonstriert.
In einer Paul-Falle gespeicherte, laser-gekühlte atomare Ionen\nkönnen als elementare quantenmechanische Schalteinheiten für die\nQuanteninformationsverarbeitung (QIV) genutzt werden. Hierfür muss\ndie Adressierung einzelner Ionen und die Wechselwirkung der Ionen\nuntereinander gewährleistet werden. Hierzu wurde ein Konzept\n(magnetic gradient induced coupling, MAGIC) vorgeschlagen, welches\neinen Magnetfeldgradienten ausnutzt, um Ionen im Frequenzraum\nmittels Strahlung im Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Bereich zu\nadressieren. Dabei wird die magnetfeldabhängige Aufspaltung der\ninneren Zustände der Ionen ausgenutzt. Zusätzlich kann eine\nSpin-Spin Kopplung zwischen den gespeicherten Ionen in einer Kette\nrealisiert werden.\n\nIn dieser Arbeit werden erste Ergebnisse präsentiert um eine\nOberflächenfalle für die QIV im Zusammenhang mit dem Konzept MAGIC\nnutzbar zu machen. Diese neuartige Falle ist eine miniaturisierte,\nsegmentierte Paul-Falle, bei der die zum Speichern von Ionen\nnotwendige Elektrodenstruktur auf eine einzige Ebene verlagert\nwerden kann und Ionen oberhalb dieser Ebene gespeichert werden\nkönnen. Es wird die Infrastruktur für die Herstellung einer\nOberflächenfalle an unserem Institut geschaffen und mittels\noptischer Lithographie und Galvanik wird ein Fallenchip mit einer\nElektrodendicke von 8,5 µm mit einer Oberflächenrauheit von\n20-30 nm produziert. Dieser beinhaltet eine\nneuartige stromdurchflossene Struktur, die es erlaubt einen räumlich\nund zeitlich variablen Magnetfeldgradienten am Ort der Ionen zu\nerzeugen. Das Speichern von 172Yb+ Ionen über einige Stunden\nhinweg wird demonstriert. Mit Hilfe der Radiofrequenz-optischen\nDoppelresonanz-Spektroskopie wird der Magnetfeldgradient vermessen.\nErstmals ist an einer Oberflächenfalle eine Adressierung im\nFrequenzraum von drei Ionen mittels angelegtem Gradienten\ndemonstriert worden. Die Güte der individuellen Adressierung der\nIonen beträgt F = 0,52(1). Diese ist aktuell durch Imperfektionen\nder zuführenden Leiterbahnen begrenzt. In naher Zukunft sollten\nGradienten um 20 T/m realisierbar sein, was zu einer Güte nahe 1\nführen sollte.
Ein Quantencomputer, der die Konzepte der digitalen Datenverarbeitung und der Quantenphysik verknüpft, verspricht bestimmte Probleme der Informatik wesentlich effizienter als ein klassischer Computer zu lösen. Des Weiteren erlauben sogenannte Quantensimulatoren neue Einblicke in wissenschaftliche Fragestellungen aus den unterschiedlichsten Disziplinen, die über die Physik hinausgehen.\nDie heute am weitesten fortgeschrittene Möglichkeit, wie ein Quantencomputer realisiert werden kann, basiert auf in einer Paul-Falle gespeicherten Ionen, in deren atomaren Zuständen Information gespeichert wird. \nMittels elektromagnetischer Strahlung können die Zustände manipuliert und die Information verarbeitet werden. \nEin stationärer Magnetfeldgradient oder ein oszillierenden Magnetfeld erlaubt für die Manipulation langwellige Mikrowellenstrahlung und beide Ansätze wurden in der Vergangenheit bereits erfolgreich erprobt.\n\nDiese Arbeit knüpft an die ersten Machbarkeitsstudien bezüglich der Verwendung eines stationären Magnetfeldgradienten an. Es wurde mit drei gespeicherten Ionen in einem stationären Magnetfeldgradienten eine Quanten-Fouriertransformation als exemplarischer Algorithmus ausgeführt. Die Konstruktion des Algorithmus basiert dabei auf einem neuartigen Ansatz, der möglichst effektiv alle vorhandenen Spin-Spin-Kopplungen innerhalb des Systems ausnutzt und im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen um den Faktor drei schneller ausgeführt werden kann. Ebenfalls wurden Quantensysteme mit maßgeschneiderten Spin-Spin-Kopplungen für mögliche Quantensimulationen realisiert und untersucht. \nDabei wurden neuartige experimentelle Methoden entwickelt und erprobt, wie zum Beispiel eine Methode zur Detektion von Qubit-Zuständen, die auf der Zeitreihenanalyse von Fluoreszenz basiert.\nEbenfalls wurde untersucht, wie mit Mikrowellenpulsen und einem stationären Magnetfeldgradienten bis zu acht Ionen (ein Quantenbyte) adressiert werden können. Hierbei wurde demonstriert, dass der resultierende Fehler aus Übersprechen von der Größenordnung 10-5 ist. Ein solcher Fehler ist unterhalb der Schwelle, welche die effiziente Anwendung von Methoden der Quantenfehlerkorrekturen erlaubt.\nZusätzlich wurde demonstriert, wie der Fehler durch die Wahl geeigneter experimenteller Parameter unterdrückt werden kann.\nDarüber hinaus wurden Sequenzen von dynamischen Entkopplungspulsen verwendet, um eine kohärente Mehr-Qubit-Dynamik gegenüber einer Dephasierung zu stabilisieren. \nDie Leistungsfähigkeit und Fehleranfälligkeit unterschiedlicher Pulssequenzen wurden verglichen und eine neuartige robuste Pulssequenz entwickelt. Die Stabilisierung der Quantendynamik über eine Dauer, die fast zwei Größenordnungen länger als die Kohärenzzeit des Systems ist, erlaubte die Erzeugung von verschränkten Zuständen mit einer Fidelity von 0,64(4).
Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse befassen sich mit Experimenten, welche den Mg-In-Ionenfallen-Quantencomputer zum Endziel haben. Als logisches Schaltelement eines solchen Quantencomputers kommen sowohl die Cirac-Zoller- als auch die Sörensen-Mölmer-Version eines CNOT-Gatters in Frage. In beiden Fällen müssen die Ionen durch Laserstrahlung gekühlt werden. Während das Cirac-Zoller-Gatter Grundzustandskühlung erfordert, wird beim Sörensen-Mölmer-Gatter lediglich der wesentlich einfacher zu erreichende Lamb-Dicke-Bereich benötigt. Aufgrund der Tatsache, daß zwei verschiedene Ionensorten für unterschiedliche Aufgaben verwendet werden, kombiniert man deren Vorzüge optimal miteinander. Zur direkten Seitenband-Kühlung verwendet man In, mit dem in unserer Arbeitsgruppe bereits Grundzustandskühlung demonstriert worden ist. Quanteninformation soll in den Mg-Ionen gespeichert werden. Da beim Sörensen-Mölmer-Gatter, solange man sich im Lamb-Dicke-Bereich befindet, die Quantenrechnung nicht von der thermischen Bewegung der Ionen abhängen, kann der heterogene Ionenkristall durch die Indiumionen kontinuierlich gekühlt werden, ohne daß die in den Mg-Ionen gespeicherte Quanteninformation dadurch beeinflußt wird. Dadurch kann die Dekohärenz der Schwingungsmoden minimiert, und die Anzahl möglicher Quantenoperationen maximiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde von Grunde auf ein neues Experiment geplant, aufgebaut und zahlreiche Versuche dazu durchgeführt. Es wurde ein völlig neuer, komplexer Vakuumrezipient entworfen und gebaut. Im Inneren des Vakuumrezipienten wurde ein schwingungsgedämpfter Aufbau einer neuartigen, selbstjustierenden Ionenfallenhalterung inklusive verbesserter Atomofenhalterung in ein kompaktes Gesamtsystem integriert. Die Falle wurde für die Speicherung zweier Ionensorten optimiert. Mit der linearen Endkappenfalle wurden zuerst Mg-Ionenkristalle erzeugt. Bei den Experimenten mit Indium konnten Mg-In-Wolken nachgewiesen werden, sowie sympathetische Kühlung von Indium durch die direkt lasergekühlten Magnesiumionen. In der neuen Vierstabfalle wurden zuerst Experimente mit einem Sekundärelektronen-Vervielfacher bei Kühlung mit Puffergas durchgeführt, wobei Speicherung von Magnesiumionen sowie von Dunkelionen aus dem Restgas nachgewiesen werden konnte. Bei diesen Messungen wurde gleichzeitig die Falle charakterisiert. Es wurden Stabilitätsdiagramm, radiale und axiale Schwingungsfrequenzen gemessen. Darüber hinaus wurden in der neuen Ionenfalle Magnesium-Ionenkristalle gespeichert und nachgewiesen. Die im Vergleich zur linearen Endkappenfalle wesentlich verbesserte Mikrobewegungskompensation demonstriert die Überlegenheit der automatischen Justage der neuen Ionenfalle.
In einer Paulfalle gespeicherte Ionen sind derzeit einer der vielversprechendsten\nKandidaten für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV). Die dafür in dem hier\nbeschriebenen Experiment verwendete Methode wurde im Jahre 2001 von F. Mintert\nund Ch. Wunderlich vorgestellt. Dabei wird auf atomare Übergänge im Mikrowellenoder\nRadiowellenbereich zurückgegriffen, wobei ein Magnetfeldgradient entlang einer\nIonenkette die Entartung der Übergangsfrequenzen verschiedener Ionen aufhebt\nund so für die Unterscheidbarkeit der einzelnen Ionen im Frequenzraum sorgt; weiterhin\nwird sichergestellt, dass interne und externe Freiheitsgrade der Ionenkette gekoppelt\nwerden können. Diese Methode wird MAGIC (MAgnetic Gradient Induced\nCoupling) genannt. Die Durchführung der Experimente erforderte zudem den Aufbau\nder Versuchsapparatur bestehend aus Laserquellen, Lambdameter, Vakuum- und Mikrowellensystem,\nsowie aus Abbildungs- und Detektionseinheiten, als Voraussetzung\nfür die erfolgreiche Durchführung der hier vorstellten Experimente. Für die Versuche\nist es von Vorteil, die Ionen in einem Zustand nahe des Grundzustands der Schwingung\nzu präparieren, weil dies dazu beiträgt, die Dephasierung bei der Manipulation\nmit Mikrowellen einzudämmen. Bei dieser sogenannten Seitenbandkühlung in den\nsub-Doppler Bereich wird ausgenutzt, dass sich die Ionen in guter Näherung in einem\nharmonischen Oszillatorpotential befinden und deshalb nur diskrete Schwingungszustände\nbesetzt werden können, deren Abstand der axialen Fallenfrequenz entspricht.\nDurch Anregung mit Hilfe der Mikrowelle, die um ein solches Schwingungsquant\nzu niedrigeren Energien von der Resonanz verstimmt ist, verliert das Ion pro Zyklus\nmit hoher Wahrscheinlichkeit die entsprechende Energie. Durch mehrfachen Durchlauf\ndes Kühlzyklusses lässt sich die durchschnittliche Phononenzahl und somit die\nTemperatur des Ions effektiv reduzieren und das Ion kann in einem Zustand nahe des\nGrundzustands der Schwingung präpariert werden. Als Seitenbandübergang wurde ein\nHyperfein-Übergang des Isotops 171Yb+ mit einer Übergangsfrequenz von etwa 12.6\nGHz verwendet. Prinzipiell ist der Impulsübertrag von Mikrowellenphotonen zu gering\num die Ionen effektiv zu kühlen; unter Anwendung von MAGIC wird dies jedoch\nmöglich. In dieser Arbeit wurden die für die Seitenbandkühlung relevanten Parameter\ncharakterisiert, was die Heizrate einschließt, welche dem Kühlprozess entgegenwirkt.\nDabei wurde die durchschnittliche Phononenzahl durch Seitenbandkühlung von über\n100 Phononen auf 4(4) reduziert, was mit dem Grundzustand verträglich ist.\nFür die Verifizierung der Ergebnisse wurde die erfolgreiche Seitenbandkühlung mit\nverschiedenen Methoden übereinstimmend nachgewiesen. Bei dieser Arbeit handelt es\nsich nach der Kenntnis des Autors um die erste detaillierte Behandlung der Seitenbandkühlung\nvon Ionen in einem statischen Magnetfeldgradienten mittels Mikrowellen.\n
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.