Lasersystem für Einzelatom-Einzelphoton-Quantenschnittstellen
Final Report Abstract
Mit einzelnen in einer Paul-Falle gefangenen und laser-angeregten Calcium-II-Atomen (Ca+-Ionen) wird die kontrollierte Umwandlung zwischen atomaren und photonischen Quantenzuständen untersucht. Ziel ist die Entwicklung von Bausteinen für die Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation, insbesondere für den Quantenrepeater. In diesem Kontext fungieren einzelne Atome als Quantenspeicher, deren Information mit quantenlogischen Gattern verarbeitet wird, und einzelne Photonen sind die Träger der Quanteninformationsübertragung. Bei der Zustandsumwandlung ist die Erhaltung der quantenmechanischen Kohärenz (der Quantenphase) die wesentliche Anforderung, insbesondere um Verschränkung über lange Distanzen zu etablieren und zu propagieren. Ein beispielhaftes Ergebnis unserer Arbeiten ist die Wechselwirkung zweier einzelner Atome über ca. 1 m Distanz durch einzelne Photonen. Die Photonen werden in einem Atom durch eine Laser-Pulssequenz gezielt erzeugt und über eine optische Faser zum anderen Atom geleitet, wo sie bei ihrer Absorption einen Zustandswechsel hervorrufen, der als "Quantensprung" sichtbar wird. Ein zweites Ergebnis (noch unveröffentlicht) ist die Speicherung des Zustands eines einzelnen Photons in einem einzelnen Atom: Durch Präparation des Atoms in einem geeigneten Ausgangszustand mithilfe ultrapräziser Laserimpulse wird es in die Lage versetzt, jeden beliebigen Polarisationszustand eines einkommenden, absorbierten Photons in einen entsprechenden inneren Zustand des Atoms umzuwandeln. Die erfolgreiche Umwandlung wird dabei durch ein ausgehendes Photon ("Herald") angezeigt, so dass die gespeicherte Quanteninformation konditioniert auf dieses Herald-Photon weiterverarbeitet werden kann. Ein wichtiger Beitrag zu den obigen Arbeiten war die Frequenzstabilisierung von einem der Laser des Gesamtsystems (bei 729 nm) auf einen optischen Referenzresonator mit ultrahoher Finesse (400.000). Dieser Laser kontrolliert das "optische Quantenbit" zwischen dem S1/2 und dem D5/2 Zustand in Ca+; seine Linienbreite von deutlich unter 100 Hz erlaubt die Präparation von Quantenzuständen mit Kohärenzzeiten im ms-Bereich. In einer anderen Serie von Arbeiten wird die Wechselwirkung zwischen einem Ensemble von Ytterbium-I-Atomen und dem Lichtfeld in einem optischen Resonator untersucht. Das Ziel ist hier, die Selbstorganisation der Atome im Resonatorfeld zu charakterisieren und zu kontrollieren. Insbesondere ist deren Abhängigkeit von externen Parametern wie der Stärke des Anregungslichts und von zusätzlichen externen Potentialen interessant, sowie die quantenmechanischen Eigenschaften des Lichtfeldes, welches sich im Resonator aufbaut. Ein mehr technologisches Projekt gilt dem Einsatz eines Frequenzkamms zur phasenkohärenten Stabilisierung aller Laser auf dieselbe Referenz. Davon erwartet man eine schnellere und sauberere Anregung der Atome und Ionen insbesondere bei Mehrphotonprozessen. Die gleichzeitige Stabilisierung mehrerer Laser auf den Kamm ist bereits demonstriert worden; derzeit wird die Stabilität des Frequenzkamms selbst verbessert, und in der Zukunft wird der Einsatz des hochstabilen 729 nm-Laser als Referenz für den Frequenzkamm verfolgt werden.
Publications
- A high-rate source for single photons in a pure quantum state. New J. Phys. 15, 055005 (2013)
C. Kurz, J. Huwer, M. Schug, P. Müller, and J. Eschner
- Heralded Mapping of Photonic Entanglement into Single Atoms in Free Space: Proposal for a Loophole-Free Bell Test. New J. Phys. 15, 085004 (2013)
N. Sangouard, J.-D. Bancal, P. Müller, J. Ghosh, J. Eschner
- Heralded photonic interaction between distant single ions Phys. Rev. Lett. 110, 213603 (2013)
M. Schug, J. Huwer, C. Kurz, P. Müller, J. Eschner
