Hoch angeregte Rydberg‐Atome sind die Grundlage für Quantencomputer und Quantensimulatoren mit Neutralatomen. Bislang schränkt die kurze Lebensdauer jedoch mögliche Anwendungen ein. Die Erzeugung langlebiger zirkularer Rydberg‐Zustände erlaubt es, fundamentale Grenzen dieser Architektur zu überwinden.
Rydberg Atome sind auf Grund ihrer starken und kontrollierbaren Wechselwirkungen gut geeignet zur Quantensimulation von lang-reichweitig wechelwirkenden Systemen mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. In dieser Arbeit wird die Präparation und hochauflösende Abbildung von Rydberg Vielteilchensystemen demonstriert und die spontane Entstehung selbst-organisierter Ordnung beobachtet. In einer ersten Reihe von Experimenten wird die Ordnung in den post-selektierten Komponenten hoher Anregungsdichte bei hoher Temperatur untersucht. Die räumliche Konfiguration der Rydberg-Atome wird mit einer neuartigen Abbildungsmethode detektiert, die es ermöglicht die Position der individuellen Rydberg-Atome im Gitter durch Fluoreszenzabbildung der ehemaligen Rydberg-Atome nach dem Umpumpen in der Grundzustand zu bestimmen. Aus den gemessenen Rydberg-Positionen werden Korrelationsfunktionen berechnet und der Blockaderadius bestimmt. Für eine zweite Experimentreihe wird die Zeitabhängigkeit der optischen Kopplung an den Rydberg-Zustand kontrolliert. Zusammen mit der genauen Modellierung des Besetzungsmusters im optischen Gitter erlaubt dies die adiabatische Präparation von Rydberg Kristallen. Das System kann auch durch einen Ising Hamiltonian mit polynomialen Wechselwirkungen beschrieben werden, das diskutierte Szenario entspricht damit der Grundzustandspräparation in einem Quantenmagnet. Es werden Eigenschaften des kristallinen Grundzustands wie seine verschwindende Suszeptibilität und lokale Magnetisierungsdichten gemessen. Diese Arbeit stellt ein neue Stufe der Kontrolle über lang-reichweitig wechselwirkende Spin-Systeme dar und ebnet den Weg zur Quantensimulation mit Rydberg Atomen.
Das Forschungsprojekt, in dessen
Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem
Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die
speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur
Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus
paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen
Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte
(koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie
die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende
Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen
erganzen die Vielfalt der
moglichen Experimente an diesem System.
Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die
Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es
ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit
der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines
Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter
Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden
speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen
untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der
Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei
wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer
magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet,
sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen
Zustands gemessen.
Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell
konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe
optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus
Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig
voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine
Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT)
konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt,
womit die unabhangige
Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist.
Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im
F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen
100 mu K in die MT geladen, wo durch
radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen
von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6
Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch
gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste
zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was
mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden
ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer
beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit
konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung
eines Rb-BECs alle
erforderlichen Voraussetzungen.
Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die
Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen
Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT
auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden
erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch
Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT
Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K
erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern
untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei
10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw.
{171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr
wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im
Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung
moglich ist, ein vereinfachtes
Kuhlverfahren.
Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses
beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine
gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei
beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen
MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten
Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das
nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema
wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und
soll im weiteren Verlauf des Projekts
umgesetzt werden.
Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das
zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen
^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren
diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von
mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden
kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus
dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine
durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird.
Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen.
Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische
^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das
fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s,
die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten
Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher
nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von
14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von
der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste
zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/-
1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der
komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung
hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war
essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine
direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand
ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen
Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen
Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte
fur die
Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.
Wir befinden uns an der Schwelle einer Revolution zu einer Quantentechnologie, die nicht nur auf der passiven Nutzung von Quanteneffekten, sondern auf ihrer aktiven Kontrolle beruht.An vorderster Front beinhaltet dies die Realisierung eines Quantencomputers.Das Kodieren von Informationen in Quantenzuständen als "Qubits" erlaubt es, Verschränkung und Quantensuperposition zu nutzen, um Rechnungen durchzuführen, die auf einem klassischen Computer unpraktikabel sind.Eine zentrale Schwierigkeit ist es dabei, Dekohärenz zu vermeiden -der Verlust von Quanteneigenschaften aufgrund ungewollter Wechselwirkung mit der Umgebung.Diese Arbeit thematisiert die Realisierung verschränkender Zwei-Qubit-Gatter, die sowohl gegenüber Dekohärenz als auch klassischen Störeinflüssen robust sind.Sie behandelt dabei drei Aspekte: die Nutzung effizienter numerischer Methoden zur Simulation und optimaler Kontrolle offener und geschlossener Quantensysteme, die Rolle fortgeschrittener Optimierungsfunktionale zur Begünstigung von Robustheit, sowie die Anwendung dieser Techniken auf zwei führende Umsetzungen von Quantencomputern, gefangene Atome und supraleitende Schaltkreise.Nach einem Überblick über die theoretischen und numerischen Grundlagen beginnt der zentrale Teil dieser Arbeit mit der Idee einer Ensembleoptimierung, um Robustheit sowohl gegenüber klassischen Fluktuationen als auch Dekohärenz zu erreichen.Für das Beispiel eines kontrollierten Phasengatters auf gefangenen Rydberg-Atomen wird gezeigt, dass Gatter erreichbar sind, die um mindestens eine Größenordnung robuster sind als der beste bekannte analytische Ansatz.Darüber hinaus bleibt diese Robustheit selbst dann erhalten, wenn die Gatterdauer signifikant gegenüber der kurzmöglichsten Dauer des analytischen Gatters verkürzt wird.Supraleitenden Schaltkreise sind eine besonders vielversprechende Architektur zur Implementierung eines Quantencomputers.Ihre Flexibilität wird durch Optimierungen sowohl für diagonale als auch nicht-diagonale Gatter gezeigt.Um Robustheit gegenüber Dekohärenz zu gewährleisten, ist es essentiell, das Gatter in so kurzer Zeit wie möglich zu realisieren.Das Erreichen dieses Ziels wird durch die Optimierung hin zu einem beliebigen v perfekten Verschränker erleichtert, basierend auf einer geometrischen Theorie der Zwei-Qubit-Gatter.Für das Beispiel supraleitender Qubits wird gezeigt, dass dieser Ansatz zu kürzeren Gatterzeiten, höheren Fidelitäten, sowie schnellerer Konvergenz führt, im Vergleich zur Optimierung hin zu vorausbestimmten, festen Zwei-Qubit-Gattern.Eine Optimierung im Liouville-Raum zur sauberen Berücksichtigung von Dekohärenzeffekten ist mit erheblichen numerischen Herausforderungen verbunden, da die Dimension im Vergleich zum Hilbert-Raum quadratisch wächst.Es kann allerdings gezeigt werden, dass es für ein unitäres Optimierungsziel ausreichend ist, höchstens drei Zustände anstelle der vollen Basis des Liouville-Raums zu propagieren.Sowohl für das Beispiel gefangener Rydberg-Atome also auch für supraleitende Qubits wird die erfolgreiche Optimierung von Quantengattern gezeigt, mit einem numerischen Aufwand, der weit unterhalb der bisher angenommenen Untergrenze liegt.Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem umfassenden Gerüsts zur Optimierung robuster Quantengatter, und bereiten den Weg für die mögliche Realisierung eines Quantencomputers.vi