Bisher haben wir das Elektron als Partikel angesehen, die durch ihren Ortsvektor (in Abhängigkeit von der Zeit), ihre elektrische Ladung und ihre mechanische Masse (bezüglich ihrer Teilcheneigenschaften) vollständig gekennzeichnet ist. Wir werden jetzt einige Tatsachen zu besprechen haben, die nur verstanden werden können, wenn man dem Elektron noch eine weitere Eigenschaft zuschreibt, nämlich den sog. Spin 1). Die erwähnten Tatsachen betreffen das Verhalten eines Elektrons (bzw. eines Atoms mit einem Valenzelektron) in einem inhomogenen Magnetfeld (Stern-Gerlach-Effekt), den Einfluß eines magnetischen Feldes auf die Energieniveaus eines Atomelektrons (Zeeman-Effekt) und die sog. Multiplettstruktur der Energieniveaus von Atomelektronen.
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
Gruppe-IV-Farbzentren in Diamant eignen sich als Quantennetzwerkknoten, da sie optisch adressierbare elektronische Zustände mit Spinfreiheitsgraden in einem Festkörper kombinieren. Aufgrund ihrer Inversionssymmetrie können sie schmale und stabile optische Übergänge aufweisen. Für Anwendungen in Quantennetzwerken ist eine optische Schnittstelle allein jedoch nicht ausreichend. Vielmehr muss die Plattform auch kohärente Spinkontrolle, langlebige Quantenspeicher und Betrieb unter kryogenen Bedingungen ermöglichen. Diese Arbeit untersucht das Zinn-Fehlstellen-Zentrum (SnV-Zentrum) in Diamant als Spin-Qubit-Plattform, mit einem Fokus auf die kohärente Kontrolle des SnV-Elektronenspins und eines
13C-Kernspins in der unmittelbaren Umgebung. Supraleitende koplanare Wellenleiter werden verwendet, um Mikrowellen- und Radiofrequenzfelder bereitzustellen und gleichzeitig die in das kryogene System eingebrachte Wärme zu reduzieren. Aufbauend auf dieser Elektronenspin-Kontrolle wird ein einzelner stark gekoppelter
13C-Kernspin anhand seiner großen, optisch detektierten magnetischen Hyperfeinaufspaltung von etwa 45MHz identifiziert. Durch die Kombination aus optischem und mikrowellenunterstütztem Pumpen wird eine präzise Initialisierung des Elektronen- und Kernspins erreicht. Kohärente Radiofrequenzkontrolle des Kernspins wird demonstriert, und eine Einzel-Qubit-Gatterfidelität von mehr als 99,9% gemessen. Durch dynamische Entkopplung wird die Kohärenzzeit des Kernspins auf 1,35s verlängert. Abschließend wird die Robustheit des Kernspins unter optischer Anregung untersucht. Die gemessene Differenz zwischen den Hyperfeinaufspaltungen im Grund- und im angeregten Zustand ist vergleichsweise klein. Dies deutet darauf hin, dass der Beitrag zur nuklearen Dephasierung durch differentielle Phasenakkumulation während der optischen Anregung schwach ist, auch wenn optisch induzierte Depolarisation weiterhin limitierend sein kann. Gleichzeitig zeigt die geringe Photonensammeleffizienz des Systems, dass Einbettung in photonische Strukturen für zukünftige Experimente mit effizienten optischen Schnittstellen erforderlich sein wird. Insgesamt demonstrieren diese Ergebnisse kohärente Kontrolle eines SnV-Elektronenspins und eines stark gekoppelten
13C-Kernspins und liefern eine Grundlage, um SnV-basierte Systeme im Kontext zukünftiger Quantennetzwerkknoten zu untersuchen.