TU Darmstadt / ULB / TUprints

Bereitstellung und kohärente Kontrolle von Einzel-Atom-Quantensystemen in zweidimensionalen Quantenregistern

Schlosser, Malte :
Bereitstellung und kohärente Kontrolle von Einzel-Atom-Quantensystemen in zweidimensionalen Quantenregistern.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Malte_Schlosser_Online_2014.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (24MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bereitstellung und kohärente Kontrolle von Einzel-Atom-Quantensystemen in zweidimensionalen Quantenregistern
Language: German
Abstract:

Lasergekühlte und optisch gespeicherte neutrale Alkaliatome stellen ein wohlbeschriebenes und weitgehend von der Umgebung separierbares Quantensystem dar. Ihre internen und externen Freiheitsgrade können experimentell umfassend und in kohärenter Weise durch externe Felder kontrolliert werden. Auch die Wechselwirkung zwischen Atomen kann durch die lasergestützte Anregung in Rydberg-Zustände auf einer interatomaren Längenskala von Mikrometern zwischen der vernachlässigbaren gegenseitigen Beeinflussung im Grundzustand und starker Dipol-Dipol-Kopplung zuverlässig geschaltet werden. Die langlebigen Zustände der Grundzustands-Hyperfeinstruktur bieten die Möglichkeit der Präparation von Quasi-Spin-1/2-Systemen, deren Quantenzustand zur Kodierung von Information genutzt werden kann. Insbesondere die Zustände ohne linearen Zeeman-Effekt bilden eine robuste Qubit-Basis. Einzelne Alkaliatome stellen somit ein ausgezeichnetes System zur physikalischen Realisierung der Quanteninformationsverarbeitung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer skalierbaren Architektur zur registerbasierten Quanteninformationsverarbeitung mit einzelnen Rb85-Atomen. Die zugrunde liegende zweidimensional-periodische Geometrie von Speicherstellen wird aus mikrooptisch erzeugten Dipolfallenregistern gewonnen, wobei in den gezeigten Messreihen typischerweise 25 bis 150 Fallen zum Einsatz kommen. Die Skalierbarkeit der Registergröße wird durch Einsatz von Mikrooptiken mit mehr als 104 Linsen sichergestellt. In dieser Arbeit konnten wesentliche Fortschritte in der parallelisierten Präparation und ortsaufgelösten Detektion von Einzelatomen in Dipolfallenregistern erreicht werden. So gelang die Implementierung von Quantenregistern mit einer Einzelatom- räparationseffizienz größer 50% an 116 Registerpositionen und im Mittel 75 bereitgestellten Einzelatomen. Die Wahrscheinlichkeit, in einer beliebigen Realisierung mindestens 60 Einzelatome zu erhalten betrug 99%. Als Folge der zur Präparation genutzten lichtinduzierten Stoßverluste konnten in diesen Fallen mit starker Fokussierung (w0 = 1,5µm) Ereignisse mit mehr als einem Atom an der gleichen Registerposition aufgrund der auftretenden Kollisionsblockade verhindert werden. Der Präparationsprozess wurde in optimierten Potentialen (w0 = 3,6µm) detailliert studiert. In Fallen der Tiefe U_0 = kB·0,5 mK wurden Verlustraten von 1,7·10^-9 cm^3 s^-1 für Einkörperverluste und 2,3·10^-9 cm^3 s^-1 für Zweikörperverluste bestimmt. Mit Hilfe erweiterter Techniken in der Fluoreszenzdetektion war erstmals der Mehrfachnachweis individueller Atome des Quantenregisters möglich. In einer Messreihe mit 27 Belichtungszyklen pro Experimentzyklus wurden keine signifikanten zusätzlichen Verluste beobachtet. Dies bildet die Grundlage für weiterführende Experimente mit Auflösung der Zeitentwicklung einzelner Quantensysteme. Insbesondere kann die Position bereitgestellter Einzelatome vor, und deren Zustand im Anschluss der Ausführung von Quantenoperationen detektiert werden. Erstmals wurde in dieser Arbeit die parallelisierte kohärente Manipulation des Zustandes von Einzelatom-Qubits des Quantenregisters demonstriert. Die Rabifrequenz der Kopplung durch einen optischen Zwei-Photonen-Prozess wurde zu 2 Pi·100 kHz bestimmt. Die durch kohärente Spektroskopie von Superpositionszuständen ermittelte Kohärenzzeit liegt mit T_Echo = 76,7ms vier Größenordnungen über der Zeitdauer einzelner Quantenoperationen. In den Messreihen dieser Arbeit konnte die fundamentale Periode der Quantenregister von 55,5µm auf 9,8µm reduziert werden. Darüber hinaus erlaubte die Nutzung von Potentialstrukturen der Talbotebenen des eingesetzten Mikrolinsenregisters die Implementierung von Fallengeometrien aus zwei überlagerten, ineinander verschachtelten Einzelregistern mit frei wählbarem Abstand benachbarter Fallen. Somit konnten wesentliche Voraussetzungen für die Realisierung von Zwei-Qubit-Operationen geschaffen werden. Die hierfür nötige selektive Laser-Adressierung von Qubits wurde für Fallenabstände von 13,3µm und 6,7µm demonstriert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Laser cooling and trapping of neutral alkali atoms provides well-understood quantum systems, which are decoupled from the environment to a high degree. Their internal and external degrees of freedom can be manipulated coherently through external fields. The comprehensive control extends to tuning interactions from negligible to strong by the laser-excitation of ground state atoms to Rydberg states that exhibit intense dipole-dipole coupling for interatomic separations of micrometers. Quasi spin-1/2 Systems formed in the internal ground state hyperfine manifold serve as carriers of quantum information. In particular the clock states with vanishing linear Zeeman effect define a robust qubit basis. Thus, single alkali atoms represent an excellent system for the physical realization of quantum information processing. This thesis describes significant experimental progress towards the implementation of registerbased quantum information processing using single Rb85-atoms in a scalable architecture. The underlying two-dimensional periodic geometry of register sites is obtained from registers of dipole traps, which are created by micro-optical lens arrays. Typically, sets of 25 to 150 trapping sites are used throughout the experiments of this work, whereas scalability is guaranteed by employing micro-optics that feature more than 104 lenslets. Substantial advances have been achieved in the parallelized preparation and spatially resolved detection of single atoms in dipole trap registers. Specifically, utilizing light assisted collisions for single atom preparation allowed for the creation of single-atom quantum registers where the preparation efficiency in 116 sites was measured to be above 50% and a mean number of 75 occupied sites was observed. As a result, the probability to obtain at least 60 single atoms in any experimental run evaluates to 99%. Due to the effect of collisional blockade, which arises for tight focusing of the microtraps (w0 = 1,5µm), two atom events at a single register site could be eliminated. The characteristics of the preparation process have been studied in detail using ensembles of atoms in optimized potentials of w0 = 3,6µm waist. From these experiments it was possible to extract one body loss rates of 1,7·10^-9 cm^3 s^-1 and two body loss rates of 2,3·10^-9 cm^3 s^-1 for a trap depth of U_0 = kB·0,5mK. The implementation of advanced techniques in fluorescence imaging enabled the repeated detection of individual single atoms. During a sequence of 27 detection cycles in a single experimental run no significant additional losses could be observed for optimized traps. This technique allows for the investigation of the time evolution of single quantum systems and thereby forms the basis for further experiments. Notably, it renders possible the detection of occupied register sites before as well as the retrieval of the qubit state after the execution of a quantum gate. Significant progress has been demonstrated with the parallelized coherent control of single atom quantum states in a microtrap register. The application of laser radiation driving a two-photon transition induced Rabi flopping with a frequency of 2 Pi·100 kHz. Furthermore, the coherence of superpositions was examined utilizing coherent spectroscopy. Here, a coherence time of T_Echo = 76,7ms was measured. In comparison, this is four orders of magnitude above the amount of time which is necessary to perform single quantum operations. In course of the work presented in this thesis, the fundamental pitch of the trap registers has been reduced from 55,5µm to 9,8µm. In addition, the use of trapping potentials in the Talbot planes generated by the microlens registers facilitated the implementation of quantum registers composed from interleaved trap registers. In these configurations, the separation of neighbouring trapping sites is freely selectable. Therefore, essential requirements for the realization of two-qubit gates have been implemented. The indispensable ability to address selectable qubits with focused laser beams was demonstrated for trap separations of 13,3µm and 6,7µm.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 10 Sep 2014 07:18
Last Modified: 10 Sep 2014 07:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40525
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 30 October 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4052
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year