In einer Paul-Falle gespeicherte Ionen können für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als elementare Prozesseinheiten genutzt werden. Hierzu ist die Fähigkeit der Manipulation der lasergekühlten Ionen wichtig. Für viele Qubit-Operationen müssen die Ionen in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Mit der, in dieser Arbeit umgesetzten, Methode der Raman-Seitenbandkühlung konnte ein einzelnes Ion bis in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Im Vergleich zu Laserlicht bieten Mikrowellenfelder viele Vorteile im Hinblick auf Stabilisierung und Skalierung des Systems. Ein durchgeführter Randomized Benchmarking-Test unterstreicht das enorme Potential, das in der Manipulation von gespeicherten Ionen mit Mikrowellenfeldern liegt. Dabei wurde gezeigt, dass der Fehler pro Rechenschritt kleiner als 4 · 10-4 ist. Die sehr kurzen Kohärenzzeiten T2, der mit den Mikrowellenfeldern genutzten magnetfeldabhängigen Qubits, limitieren die Umsetzung dieses Konzepts. Veränderungen der umgebenden elektro-magnetischen Felder führen zu Dephasierung und begrenzen die mögliche Zeit für Gatteroperationen. In dieser Arbeit wird eine Methode angewendet, die durch die Kombination von inneren atomaren Zuständen und Mikrowellenfeldern so genannte Dressed States erzeugt, die sehr widerstandsfähig gegen die Einflüsse der Umgebung sind. Ein Dressed States-Qubit erreicht im Vergleich zu atomaren magnetfeldabhängigen Qubits eine um mehrere Größenordnungen längere Kohärenzzeit von einigen Sekunden. Die Kohärenzzeit eines Sensors ist in der Quantentechnologie die ausschlaggebende Größe, die die effektive und präzise Messung von Magnetfeldern begrenzt. Durch ein neues Magnetometrie-Protokoll kann für ein Dressed States-Qubit eine bisher nicht erreichte Magnetfeldsensitivität von 4,6 pT/√Hz bei 14 MHz erzielt werden, die im Bereich des Standard-Quanten-Limits liegt. Die Methode verbindet dabei die hohe Magnetfeldsensitivität mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich. Der Vorteil dieses neuen Schemas, gegenüber den gängigen Verfahren, ist, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit für spektrale Komponenten des Magnetfeldes über einen sehr großen Frequenzbereich erreicht werden kann.
In einer Paul-Falle gespeicherte Ionen können für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als elementare Prozesseinheiten genutzt werden. Hierzu ist die Fähigkeit der Manipulation der lasergekühlten Ionen wichtig. Für viele Qubit-Operationen müssen die Ionen in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Mit der, in dieser Arbeit umgesetzten, Methode der Raman-Seitenbandkühlung konnte ein einzelnes Ion bis in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Im Vergleich zu Laserlicht bieten Mikrowellenfelder viele Vorteile im Hinblick auf Stabilisierung und Skalierung des Systems. Ein durchgeführter Randomized Benchmarking-Test unterstreicht das enorme Potential, das in der Manipulation von gespeicherten Ionen mit Mikrowellenfeldern liegt. Dabei wurde gezeigt, dass der Fehler pro Rechenschritt kleiner als 4 · 10-4 ist. Die sehr kurzen Kohärenzzeiten T2, der mit den Mikrowellenfeldern genutzten magnetfeldabhängigen Qubits, limitieren die Umsetzung dieses Konzepts. Veränderungen der umgebenden elektro-magnetischen Felder führen zu Dephasierung und begrenzen die mögliche Zeit für Gatteroperationen. In dieser Arbeit wird eine Methode angewendet, die durch die Kombination von inneren atomaren Zuständen und Mikrowellenfeldern so genannte Dressed States erzeugt, die sehr widerstandsfähig gegen die Einflüsse der Umgebung sind. Ein Dressed States-Qubit erreicht im Vergleich zu atomaren magnetfeldabhängigen Qubits eine um mehrere Größenordnungen längere Kohärenzzeit von einigen Sekunden. Die Kohärenzzeit eines Sensors ist in der Quantentechnologie die ausschlaggebende Größe, die die effektive und präzise Messung von Magnetfeldern begrenzt. Durch ein neues Magnetometrie-Protokoll kann für ein Dressed States-Qubit eine bisher nicht erreichte Magnetfeldsensitivität von 4,6 pT/√Hz bei 14 MHz erzielt werden, die im Bereich des Standard-Quanten-Limits liegt. Die Methode verbindet dabei die hohe Magnetfeldsensitivität mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich. Der Vorteil dieses neuen Schemas, gegenüber den gängigen Verfahren, ist, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit für spektrale Komponenten des Magnetfeldes über einen sehr großen Frequenzbereich erreicht werden kann.
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.
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
Die Verknüpfung von Qubits gehört zu den aktuellen Herausforderungen der Quantentechnologie. Dies betrifft einerseits Systeme, die weit voneinander entfernt sind, als auch hybride Systeme, in denen unterschiedliche Realisierungen der Qubits ihre individuellen Stärken ausspielen und anschließend den Quantenzustand auf einen anderen Typ übertragen sollen. In dieser Arbeit wird ein Mischcryostat vorgestellt, der Supraleiter auf Temperaturen unterhalb hundert Millikelvin abkühlen kann und zugleich eine Apparatur zur Präparation von ultrakalten Atomen enthält. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ultrakalte Atomwolken in dieser Umgebung zu präparieren und zu manipulieren. Im nächsten Schritt müssen die Atomwolken in die Millikelvin-Umgebung transportiert und an einen Chip mit funktionalen supraleitenden Elementen herangeführt werden. Zwar steht die Demonstration des Austausches von Quanteninformation noch aus, dennoch stellt dies einen bedeutenden Schritt in Richtung eines hybriden Quantensystems dar. Es ist von zentraler Bedeutung, den Wärmeeintrag in die Millikelvinumgebung zu minimieren. Gleichzeitig erfordern die typischen magnetischen Fallenpotentiale Ströme im Bereich einiger Ampere. Konventionelle Spulen aus supraleitenden Drähten erzeugen zwar keine Heizleistung, allerdings verbleibt ein Wärmeeintrag durch Wärmeleitung. Einen Ausweg bieten geschlossene supraleitende Schleifen, die von einem permanenten Strom durchflossen werden. In dieser Arbeit wurde die Idee der Baseball-Falle aufgegriffen, die mit einem einzelnen Strompfad eine vollständige Falle realisiert. Dies wurde in einem zweiten System mit einer supraleitenden Schleife umgesetzt. Eine zusätzlich angebrachte konventionelle Spule koppelt magnetischen Fluss in die Schleife ein, wodurch der permanente Strom moduliert werden kann. Diese Spule kann sich an einer anderen Temperaturstufe des Cryostaten befinden, so dass auch die Wärmeleitung unterbunden wird. Als Vermittler zwischen unterschiedlichen Qubits können Rydberg-Atome eine Schlüsselrolle einnehmen, da ihr Anregungsspektrum einen weiten Frequenzbereich überdeckt. Ihre Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern erfordert allerdings eine sorgfältige Betrachtung der Umgebung und ggf. eine Abschirmung oder Kompensation der Störfelder. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Referenzsystem aufgebaut, an dem die absoluten Übergangsfrequenzen mit verbesserter Genauigkeit ermittelt und der Einfluss externer Felder untersucht wurden. Auf dieser Basis können nun die Korrekturen vorgenommen werden. Als Referenz für die Frequenzmessungen dient bislang ein Mikrowellenübergang. Verwendet man stattdessen einen optischen Übergang, so wird die Zeit in kleinere Abschnitte unterteilt und somit die Unsicherheit reduziert. Diese optischen Uhren aus neutralen Atomen haben bislang den Nachteil, dass die Messung destruktiv erfolgt. Durch die erneute Präparation steht die Uhr nur einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung. Hier wurde ein Konzept erarbeitet, das den Betrieb einer kontinuierlichen optischen Uhr ermöglichen soll. Die erste Stufe der Präparation eines Ensembles ultrakalter Atome konnte bereits demonstriert werden. Im weiteren Verlauf ist eine zweite Präparationsstufe, sowie eine Spektroskopie erforderlich. Letztendlich ist die Anbindung des bestehenden Frequenzkamms geplant, um die erhöhte Genauigkeit auch auf andere Frequenzbereiche zu übertragen. Die erzielten Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien bei. Einerseits bieten sie die Perspektive Quanteninformationsverarbeitung mit hybriden Systemen aus Supraleitern und ultrakalten Atomen durchzuführen. Dabei kann die optische Schnittstelle mehrere derartige Systeme auch über große Entfernungen miteinander verknüpfen und so die Vision eines Quanten-Internets wahr werden lassen. Optische Uhren werden in absehbarer Zeit die Cäsium-Uhren zur Definition der Sekunde ablösen. Ihre hohe Sensitivität lässt neue Anwendungen in der Metrologie, Geodäsie oder auch Astronomie erwarten.
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
Der Einsatz mikrostrukturierter optischer Elemente ist in der heutigen quantenoptischen Forschung ein äußerst attraktiver Zugang zur kompakten und robusten Realisierung atomoptischer Experimente. Besondere Beachtung findet dabei die Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in magnetischen und optischen Mikropotentialen. Motiviert werden diese Untersuchungen sowohl durch Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, als auch durch die Möglichkeit kompakte, hochpräzise Atominterferometer zu entwickeln. Von äußerster Wichtigkeit ist hierbei sowohl der kontrollierte Transport und das Führen atomarer Ensembles in diesen Potentialen, als auch deren Auswirkungen auf die Kohärenz der atomaren Zustände. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, bei dem neutrale 85Rb-Atome in einem zweidimensionalen Register von Dipolfallen gefangen werden können. Die Fallen werden durch homogenes Ausleuchten eines Mikrolinsenregisters mit einem einzelnen kollimierten Laserstrahl erzeugt. Durch Einstrahlen des Lichts unter einem variablen Winkel lassen sich die in der Fokalebene des Registers gefangenen Atome transportieren. Mit dieser Methode kann ein Transportweg von einem kompletten Fallenabstand (54µm) erreicht werden. Die Präzision in der Anfahrt definierter Positionen liegt dabei unter 10nm. Bei einer Transportzeit bis hinunter zu 2ms wird weder eine signifikante Erhöhung der Temperatur des atomaren Ensembles noch ein Teilchenzahlverlust beobachtet. Für den Transport über größere Distanzen wird ein Schieberegister demonstriert, das auf einem sequentiellen Verschieben und Umladen zwischen zwei getrennten Dipolfallenregisters basiert. Neben der Kontrolle der externen Freiheitsgrade können mit einem Ramanlasersystem beliebige kohärente Superpositionen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands induziert werden. Mit Hilfe von Ramsey- und Echosequenzen wird die Kohärenz der internen Superpositionen untersucht. Die Ramseymessung weist dabei eine inhomogene Dephasierung mit einer Zeitkonstanten von T2*=3,8ms aufgrund der endlichen Temperatur der Atome in den Dipolfallen auf. Diese ist reversibel und lässt sich durch Erweitern der Sequenz zu einer Echomessung umkehren. Auf diese Weise ist es möglich die Kohärenzzeit der Superposition zu T2'=74ms zu bestimmen. Eine Analyse der kohärenzzerstörenden Effekte führt auf die homogene Dephasierung induziert durch Heizeffekte des Dipolfallenlasers als wahrscheinlichste Ursache für den Kontrastverlust. Der Transportprozess wirkt sich nicht auf die Kohärenzzeit aus (T2'=71ms), jedoch wird eine konstante und reproduzierbare Phasenverschiebung von
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.