Einzel-Photon Wechselwirkungen

Das Verstehen der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie hat viele bedeutende Physiker von Newton über Maxwell bis Planck und Einstein fasziniert und beschäftigt. Heute ermöglicht der technologische Fortschritt, einzelne Quantensysteme von ihrer Umgebung zu isolieren und die Atom-Licht-Wechselwirkung in ihrer reinsten Form zu untersuchen. Damit kann die etablierte Theorie der Quantenelektrodynamik über bisherige Grenzen hinaus getestet werden. Ein wichtiges Ziel der hier beabsichtigten Untersuchungen, die effiziente Kopplung zwischen Atomen und Photonen, wird für Anwendungen benötigt, mit deren Hilfe im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung entfernte Recheneinheiten eines Quanten-netzwerks miteinander verbunden werden können. In diesem Projekt soll mit Hilfe einzelner gespeicherter Ionen die Kopplung zwischen einzelnen Photonen und einem einzelnen Atom stark erhöht werden, um grundlegende Untersuchungen zur Quantenelektrodynamik durchzuführen und Verschränkung zwischen entfernten Atomen zu erzeugen. Mit Hilfe von optischen Elementen hoher numerischer Apertur (HNA) planen wir einerseits die Kopplung zu erhöhen, andererseits wollen wir durch Seitenbandkühlen die Ionen präziser im optischen Lichtfeld platzieren. Die dazu notwendigen technischen Verbesserungen sind derzeit im Aufbau. Mit dem hier beantragten Personal werden sie uns ermöglichen, die Empfindlichkeit der Apparatur weit über die bisherigen Grenzen zu verbessern und neue Effekte beobachtbar zu machen. Im Detail planen wir in diesem Projekt die Bearbeitung von drei Bereichen: A) Zunächst wird die effiziente Absorption eines schwachen Laserstrahls durch ein einzelnes Atom im freien Raum untersucht werden. Der Einsatz von HNA-Optiken wird es erlauben, die theoretische Vorhersage perfekter Reflexion von Licht an einem einzelnen Atom zu testen. Darüber hinaus wird mit zwei vorhandenen Fallenapparaturen das emittierte Fluoreszenzlicht von einem lasergekühlten Ion auf ein zweites Ion fokussiert werden, um so zum ersten Mal ein kaskadiertes Quantensystem in einer sehr kontrollierten Form zu realisieren. B) Ein Spiegel hoher numerischer Apertur bestimmt für die mit dem Atom wechselwirkenden elektromagnetischen Wellen Randbedingungen. Durch Kontrolle der Spiegelposition wird das zurückreflektierte Fluoreszenzlicht manipuliert, wodurch die interne Anregung als auch das Wellenpakets der Bewegung eines einzelnen Ions kontrolliert werden können. Durch die Randbedingungen werden im Atom feine Niveauverschiebungen induziert, welche mit Hilfe verschränkter Ionen und Quantenlogik analysiert werden können. C) Aufbauend auf den technologischen Fortschritten beabsichtigen wir, Teleportation von Atomen zwischen (entfernten) Fallen zu demonstrieren und Quantenkommunikationsprotokolle zwischen entfernten Fallen zu untersuchen.

Ziel des Sinphonia-Projektes war es, die Wechselwirkung einzelner Photonen mit einzelnen Atomen grundsätzlich und für die Realisierung von Schnittstellen zur Übertragung von Quanteninformation zu untersuchen. Dazu wurden einzelne Ionen in einer Paul-Falle unter Ultrahochvakuum-Bedingungen gespeichert und mit Laserlicht nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt optisch gekühlt. Speziell entwickelte Objektive mit großer numerischer Apertur ermöglichten die Fokussierung des Lichts auf einzelne Ionen und damit eine optimierte Wechselwirkung zwischen Licht und Ionen. Umgekehrt erlauben diese Optiken die Beobachtung der Fluoreszenz mit hoher Ausbeute.In einem ersten Experiment wurde untersucht, inwieweit die Anwesenheit eines einzelnen Atoms in der Transmission eines Laserstrahls beobachtbar ist. Nach Fokussierung des Lichtstrahls auf das Ion wurden Intensität und Polarisation des transmittierten Lichtes gemessen und es war möglich, mit einem einzelnen Atom im Strahl eine Absorption von 1,5% und eine Polarisationsdrehung zu messen. Dieser Einzel-Atom-Nachweis mithilfe des Faraday-Effektes und die Beobachtung von Quantensprüngen in Transmission konnten vorher nicht gemessen werden.In einem zweiten Experiment mit zwei gespeicherten Ionen wurde erstmal gezeigt, dass man eine Verschränkung der beiden Atome bereits durch Beobachtung eines einzelnen Photons nachweisen kann. Bisherige Protokolle benötigten für die Verschränkung die koinzidente Beobachtung von jeweils einem emittierten Photon der beiden Atome. Daher ist die Erzeugungsrate der Verschränkung quadratisch abhängig von der Sammeleffizienz der verwendeten Optiken. Mit dem hier verwendeten Protokoll wurde die Messanordnung so gewählt, dass die Beobachtung eines einzelnen Photons keine Information darüber enthält, welches der beiden Atome das Licht emittiert hat. Das wiederum hinterlässt die Atome in einem verschränkten Zustand und die Erzeugungsrate ist nur linear von der Sammeleffizienz abhängig. Mit dieser Methode wird es möglich, Verschränkung auch über große Entfernungen zu erzeugen, eine Voraussetzung für den Transfer von Quanteninformation. Alle Experimente in diesem Projekt hängen entscheidend von der Sammeleffizienz der Optiken ab, ebenso wie die quantenoptische Kontrolle der atomaren Zustände (etwa durch Selbstinterferenz) der Atome. Daher wurde im Rahmen des Projektes eine neue Apparatur entworfen, die es mit einem Halbkugelspiegel ermöglichen soll, die Sammeleffizienz und die Selbstinterferenzfähigkeit der emittierten Photonen zu erhöhen. In diesem Projekt wurden dazu Methoden entwickelt, die die Herstellung von hochpräzisen halbkugelförmigen Spiegeln mit einer mittleren Ungenauigkeit der gefrästen Oberfläche von nur 11 nm ermöglicht haben. Diese Oberflächenabweichung vom Ideal ist so klein, dass mit solchen Spiegeln zukünftig eine neue Art von Experimenten möglich wird, wie beispielsweise die starke Unterdrückung der Aussendung von Licht eines Ions, das im Mittelpunkt der Spiegelhalbkugel sitzt.