About a decade ago, optically levitated nanoparticles have been proposed for macroscopic tests of quantum mechanics.For such tests, the thermal motion of the particle's center of mass is required to be close to its ground state of energy.Ever since these proposals, research groups around the world try to achieve ground-state cooling of optically levitated glass particles.In this dissertation, we cool the center-of-mass motion of a nanoparticle in an optical trap.Based on the position measurement of the particle, we apply a damping force in proportion to the particle's speed, which leads to a cooling effect.We find that the cooling performance of our cold damping scheme is limited by the measurement imprecision.We analyze our detection principle theoretically and find an ideal detection scheme whose imprecision is at the fundamental noise level dictated by quantum mechanics.Such a Heisenberglimited detection would, in principle, allow for ground-state feedback cooling.With these insights applied to our experiment, we cool the motion of our particle to an average of four quanta.Moreover, we resolve an asymmetry between the Stokes and anti-Stokes scattered light from the particle.This quantum effect allows us to calibrate the system to the ground state energy.Our work advances the research field of levitated optomechanics toward quantum control and therefore toward macroscopic tests of quantum mechanics.i Zusammenfassung Vor rund zehn Jahren wurde vorgeschlagen, die Gesetze der Quantenmechanik an makroskopischen Objekten mittels in Laserstrahlen schwebenden Nanopartikeln zu testen.Seitdem versuchen Forschungsgruppen weltweit, die thermische Partikelbewegung von solch schwebenden Glaspartikeln bis nah an ihren Quantengrundzustand zu kühlen.In dieser Dissertation kühlen wir die Schwerpunktsbewegung eines Nanopartikels in seiner optischen Falle.Basierend auf einer Positionsmessung legen wir eine dämpfende Kraft in Proportion zur Partikelgeschwindigkeit an, was zu einer Kühlung der Bewegung führt.Wir beobachten, dass diese Kühltechnik durch unsere Messungenauigkeit limitiert ist.Wir untersuchen unsere optische Detektion theoretisch und finden ein ideales Messverfahren, dessen Ungenauigkeit durch die fundamentalen Nullpunktfluktuationen der Quantenphysik gegeben ist.Solch eine Heisenberg-limitierte Messung würde es uns prinzipiell ermöglichen, das Partikel in seinen Grundzustand zu kühlen.Mit dieser Einsicht angewandt auf unser Experiment kühlen wir die Partikelbewegung zu vier Energiequanten.Damit können wir die sogenannte Seitenbandasymmetrie zwischen Stokes und Anti-Stokes Streuung auflösen.Dieser Quanteneffekt ermöglicht es uns, das System gegen die Grundzustandsenergie zu kalibrieren.Unsere Arbeit bringt das Forschungsfeld der schwebenden Optomechanik einen Schritt näher in Richtung makroskopischer Tests der Quantentheorie.
About a decade ago, optically levitated nanoparticles have been proposed for macroscopic tests of quantum mechanics.For such tests, the thermal motion of the particle's center of mass is required to be close to its ground state of energy.Ever since these proposals, research groups around the world try to achieve ground-state cooling of optically levitated glass particles.In this dissertation, we cool the center-of-mass motion of a nanoparticle in an optical trap.Based on the position measurement of the particle, we apply a damping force in proportion to the particle's speed, which leads to a cooling effect.We find that the cooling performance of our cold damping scheme is limited by the measurement imprecision.We analyze our detection principle theoretically and find an ideal detection scheme whose imprecision is at the fundamental noise level dictated by quantum mechanics.Such a Heisenberglimited detection would, in principle, allow for ground-state feedback cooling.With these insights applied to our experiment, we cool the motion of our particle to an average of four quanta.Moreover, we resolve an asymmetry between the Stokes and anti-Stokes scattered light from the particle.This quantum effect allows us to calibrate the system to the ground state energy.Our work advances the research field of levitated optomechanics toward quantum control and therefore toward macroscopic tests of quantum mechanics.i Zusammenfassung Vor rund zehn Jahren wurde vorgeschlagen, die Gesetze der Quantenmechanik an makroskopischen Objekten mittels in Laserstrahlen schwebenden Nanopartikeln zu testen.Seitdem versuchen Forschungsgruppen weltweit, die thermische Partikelbewegung von solch schwebenden Glaspartikeln bis nah an ihren Quantengrundzustand zu kühlen.In dieser Dissertation kühlen wir die Schwerpunktsbewegung eines Nanopartikels in seiner optischen Falle.Basierend auf einer Positionsmessung legen wir eine dämpfende Kraft in Proportion zur Partikelgeschwindigkeit an, was zu einer Kühlung der Bewegung führt.Wir beobachten, dass diese Kühltechnik durch unsere Messungenauigkeit limitiert ist.Wir untersuchen unsere optische Detektion theoretisch und finden ein ideales Messverfahren, dessen Ungenauigkeit durch die fundamentalen Nullpunktfluktuationen der Quantenphysik gegeben ist.Solch eine Heisenberg-limitierte Messung würde es uns prinzipiell ermöglichen, das Partikel in seinen Grundzustand zu kühlen.Mit dieser Einsicht angewandt auf unser Experiment kühlen wir die Partikelbewegung zu vier Energiequanten.Damit können wir die sogenannte Seitenbandasymmetrie zwischen Stokes und Anti-Stokes Streuung auflösen.Dieser Quanteneffekt ermöglicht es uns, das System gegen die Grundzustandsenergie zu kalibrieren.Unsere Arbeit bringt das Forschungsfeld der schwebenden Optomechanik einen Schritt näher in Richtung makroskopischer Tests der Quantentheorie.
Derzeit wird angestrebt, optisch zum Schweben gebrachte Nanokügelchen in Quantenzustände zu versetzen, in denen der Schwerpunkt über dem Durchmesser des Nanokügelchen hinaus verlagert wird. Das Erreichen dieses Ziels würde die Quantenmechanik auf noch beispiellose Skalen prüfen, und neue Versuche der grundlegenden Physik ermöglichen. Erfolg setzt die gründliche Untersuchung und Vermeidung von Dekohärenzmechanismen voraus, die sich auf den Nanokügelchen auswirken, sowie eine Strategie für schnelle Zustandspräparierung während unvermeidlicher Dekohärenz. Thermische Photonenemission ist eine Dekohärenzquelle, die besonders weitere Untersuchung erfordert. Bezüglich Präparationsstrategien können breite, nichtlineare mechanische Potenziale schnell stark gequetschte nicht-gaußsche Schwerpunktzustände aus dem mechanischen Grundzustand des gefangenen Kügelchens erzeugen. Alternativ könnte die Kühlung der Bewegung zum Grundzustand vermieden werden, durch das Implementieren einer Quantenoperation, die weitreichende Kohärenz in einem initialen thermischen Zustand generiert. Diese Dissertation trägt zu neuen theoretischen Erforschungen von thermischer Photonenemissiondekohärenz sowie den beiden Zustandspräparierungsstrategien bei. Die Beiträge i) schlagen eine Methode des Messens der Temperatur und Polarisierbarkeit einer in ultrahohem Vakuum schwebenden Glasnanokügelchen vor; ii) erforschen die Theorie der thermischen Photonenemissiondekohärenz und untersucht wie leitende Materialien im Nahfeld des Partikels die Dekohärenzraten beeinflussen; iii) zeigen eine numerische Methode für das Vorhersagen der in breite, nichtlineare Potenziale vorkommenden Quantendynamik vor; und iv) analysieren ein Experiment wobei unitäre Operationen genutzt wurden, um Superpositionszustände von Mikrowellenphotonen mit großen thermischen Schwankungen und gleichzeitig starker Quantenkohärenz vorzubereiten. Diese Beiträge sind relevant für jetzige und künftige Bemühungen, grundlegende Überprüfungen der Quantenmechanik in neuen Bereichen durchzuführen sowie für die Anwendungen der Quantenoptik.
Abstract Tests of quantum mechanics on a macroscopic scale require extreme control over mechanical motion and its decoherence [1-4]. Quantum control of mechanical motion has been achieved by engineering the radiation pressure coupling between a micromechanical oscillator and the electromagnetic field in a resonator [5-8]. Furthermore, measurement-based feedback control relying on cavity-enhanced detection schemes has been used to cool micromechanical oscillators to their quantum ground states [9]. In contrast to mechanically tethered systems, optically levitated nanoparticles are particularly promising candidates for matter-wave experiments with massive objects [10,11], since their trapping potential is fully controllable. In this work, we optically levitate a femto-gram dielectric particle in cryogenic free space, which suppresses thermal effects sufficiently to make the measurement backaction the dominant decoherence mechanism. With an efficient quantum measurement, we exert quantum control over the dynamics of the particle. We cool its center-of-mass motion by measurement-based feedback to an average occupancy of 0.65 motional quanta, corresponding to a state purity of 43%. The absence of an optical resonator and its bandwidth limitations holds promise to transfer the full quantum control available for electromagnetic fields to a mechanical system. Together with the fact that the optical trapping potential is highly controllable, our experimental platform offers a route to investigating quantum mechanics at macroscopic scales [12,13].
Im Ultrahochvakuum optisch levitierte Nanoteilchen können eine vielversprechende experimentelle Platform zur Erzeugung von ausgedehnten Quantenzuständen mit biher unerreicht großen Massen von mehr als 1E8 amu in aussicht stellt. Die Lebenszeit solcher Zustände ist durch ihre Interaktion mit Schwarzkörperstrahlung limitiert. Bisher konnte dieser Effekt nicht experimentell untersucht werden. Aus diesem Grund schlagen wir hier ein Experiment vor, das erlauben soll den Einfluss der Schwarzkörperstrahlung auf die Bewegung eines Teilchens zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit nehmen wir die ersten Schritte die zur Umsetzung dieses Experiments führen. Zum einen schätzen wir die experimentellen Parameter ab, die notwendig sind um die Auswirkungen der Schwarzkörperstrahlung sichtbar zu machen. Es zeigt sich, dass hierfür eine Freifallzeit von bis zu 10 ms bei einem Vakuum von 1E-11 mBar und einer Temperatur über 1400K nötig sind. Desweiteren diskutieren wir einen experimentellen Aufbau, der dieses Parameterregime erreichen sollte. Die erste Herausvorderung auf dem Wegs stellt das reproduzierbare Laden von Nanoteilchen in optischen Fallen im Ultrahochvakuum dar. Den Großteil dieser Arbeit befaßt sich mit dem experimentelle Aufbau eines solchen Lademechanismums. Aufbauend auf früheren Experimenten zum Transport von Nanoteilchen in Hohlfasern zeigen wir hier die erfolgreiche und reproduzierbare Übergabe von 245nm großen Teilchen von der Hohlfaser in eine optische Pinzette. Unsere Methode ebnet den Weg für eine schnelle und einfache Quelle von Nanoteilchen für verschiedenste Experimente zur optischen Levitation im Ultrahochvakuum.
Optically levitated nanoparticles have recently emerged as versatile platforms for investigating macroscopic quantum mechanics and enabling ultrasensitive metrology. In this paper we theoretically consider two damping regimes of an optically levitated nanoparticle cooled by cavityless parametric feedback. Our treatment is based on a generalized Fokker-Planck equation derived from the quantum master equation presented recently and shown to agree very well with experiment [B. Rodenburg, L. P. Neukirch, A. N. Vamivakas, and M. Bhattacharya, Quantum model of cooling and force sensing with an optically trapped nanoparticle, Optica 3, 318 (2016)]. For low damping, we find that the resulting Wigner function yields the single-peaked oscillator position distribution and recovers the appropriate energy distribution derived earlier using a classical theory and verified experimentally [J. Gieseler, R. Quidant, C. Dellago, and L. Novotny, Dynamic relaxation of a levitated nanoparticle from a non-equilibrium steady state, Nat. Nano. 9, 358 (2014)]. For high damping, in contrast, we predict a double-peaked position distribution, which we trace to an underlying bistability induced by feedback. Unlike in cavity-based optomechanics, stochastic processes play a major role in determining the bistable behavior. To support our conclusions, we present analytical expressions as well as numerical simulations using the truncated Wigner function approach. Our work opens up the prospect of developing bistability-based devices, characterization of phase-space dynamics, and investigation of the quantum-classical transition using levitated nanoparticles.
Die nachste grose technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermoglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt vollig offenlasst. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Koharenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und uber grose Distanzen hinweg ubertragen zu konnen. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das groste Hindernis fur photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen konnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitaten auf Einzelphotonenniveau uberwunden werden.
In dieser Dissertation beschaftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearitat von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflachenplasmonen in Graphen-Nanobandern. Durch die starke Nichtlinearitat dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen starker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustande des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter konnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% naher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermoglichen wurde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benotigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearitat dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearitat noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusatzlich experimentelle Beweise fur die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermoglichen wurde.
Zusatzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information tragt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationstrager in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgefuhrt, deren Stabilitat und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Uberbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermoglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenubertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.
Atominterferometrie ist eine leistungsstarke Methode um fundamentale Physik zu untersuchen, dies beinhaltet Tests zu Quanteneffekten von Gravitation und die Suche nach neuen Kräften und dunkler Energie. Eine der wesentlichen Beschränkungen bei konventionellen Atominterferometern ist die endliche Zeit, in derer sich die Atome im freien Fall befinden, dies beschränkt die erreichbare Abfragezeit und damit die Messgenauigkeit. Diese Beschränkung kann überwunden werden indem man ein optisches Gitter benutzt, in welchem die Atome gegen die Schwerkraft gehalten werden, was zu höheren Interaktionszeiten führt und damit höhere Sensitivität ermöglicht. Für ein effizientes Fangen von kalten Atomen in dem optischen Gitterpotential müssen die Atome zu niedrigen Temperaturen gekühlt werden. Diese Arbeit beschreibt, wie eine kalte Wolke aus 39K-Atomen mithilfe einer 3D-magneto-optischen Falle (MOT) und Gray Molasses generiert werden kann. Ein Laser-Setup für Gray Molasses auf der D1-Linie wurde konzipiert und aufgebaut. Dieses Setup wird es uns ermöglichen in zukünftigen Experimenten Temperaturen im Bereich von wenigen μK zu erreichen. Zusätzlich wurde das Abbildungssystem kalibriert, sodass quantitative Messungen der Anzahl an Atomen und Temperaturmessungen durchgeführt werden können. Durch eine Optimierung des bestehenden D2-Licht-Setups konnten wir 39K-Atome in einer 3D-MOT kühlen und fangen. Wir erreichten eine maximale Anzahl von ∼106 Atomen in unserer Atomwolke.