Die vorliegende Dissertation ist thematisch auf dem Gebiet der Quanten- Informationsverarbeitung angesiedelt. Von Quanteninformation und deren Verarbeitung spricht man, wenn die zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismen maßgeblich durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Quanten-Informationsverarbeitung ist die Wechselwirkung zwischen Quantensystemen und Licht als effizientem Informationsträger. Zukünftige Kommunikations- und Rechennetzwerke benötigen daher Quanten-Speicher für optische Information.

Diese Arbeit ist Teil eines Projektes, das die Entwicklung und Optimierung eines solchen Quanten-Speichers für Licht zum Ziel hat. Als Speichermedium dient dabei der Seltenerd-dotierte Kristall PrYSO. Seltenerd-dotierte Kristalle besitzen schmale homogene Linienbreiten, die mit denen von Gasen vergleichbar sind. Gleichzeitig eignen sie sich als Festkörper aufgrund leichter Handhabung auch für den Einsatz außerhalb des Laborbetriebes. Zur Speicherung von Licht manipuliert ein Kontroll-Laser die dispersiven und absorptiven Eigenschaften des Speichermediums derart, dass es für einen Daten-Lichtpuls zunächst transparent wird. Dieser Effekt wird elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) genannt. Mittels EIT ist es dann möglich, den Lichtpuls vollständig im Medium zu stoppen und in eine Vielzahl aus Überlagerungen atomarer Zustände zu übertragen. In dieser atomaren Kohärenz ist der volle Quantenzustand des Lichtpulses gespeichert und kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden. Die maximal mögliche Speicherzeit für einen Lichtpuls ist dabei durch die Lebensdauer der atomaren Kohärenz, der Dekohärenzzeit gegeben. Diese ist durch verschiedene Mechanismen limitiert und liegt typischerweise deutlich unter ihrem theoretischen Maximum, dem zweifachen der Besetzungs-Lebensdauer. In PrYSO liegt die Dekohärenzzeit zunächst im Bereich weniger 10 μs. Der Grund hierfür ist die Dephasierung einzelner Kohärenzen, welche durch die inhomogene Verbreiterung des Kohärenzübergangs verursacht wird. Dephasierung führt zu destruktiver Interferenz und verhindert so ein Auslesen der optischen Information. Mittels gepulster, magnetischer Wechselfelder kann dieser Effekt kompensiert werden. Hierzu werden meist π Pulse verwendet, deren Parameter klar definiert sind und deshalb präzise kontrolliert werden müssen. In dieser Arbeit wurden hingegen adiabatische Pulse zur Rephasierung verwendet, deren Parameter ohne Effizienzverlust in einem breiteren Bereich variiert werden können. Die Grenzen sind lediglich lose durch ein sogenanntes Adiabasiekriterium definiert. In Kapitel 4 wurde gezeigt, dass die Rephasierung atomarer Kohärenzen mittels des adiabatischen Pulses "rapid adiabatic passage" (RAP) deutlich robuster ist als die Rephasierung mittels π Pulsen. In einer Reihe systematischer Messungen wurde gezeigt, dass dies insbesondere bei geringer verfügbarer Leistung für die Rephasierungspulse oder räumlichen Inhomogenitäten des magnetischen Wechselfeldes der Fall ist. In einem typischen Experiment wurde mit RAP im Vergleich zum Einsatz von π Pulsen die Speichereffizienz um 15% gesteigert. Dieser Wert erhöht sich weiter, sobald Feldinhomogenitäten zunehmen oder die Leistung des Magnetfeldes auf geringere Werte limitiert ist. Nach erfolgreicher Rephasierung beträgt die Dekohärenzzeit in PrYSO etwa 500 μs, ein Wert der immer noch deutlich unter der Besetzungslebensdauer im Bereich mehrerer 10 s liegt. Die Ursache hierfür ist eine fluktuierende Kristallumgebung, die zu stochastischen Phasenänderungen einzelner Kohärenzen führt. Eine gängige Strategie zur Minimierung dieses Effektes ist der Einsatz präzise gewählter statischer Magnetfelder und einer Vielzahl hochfrequenter Magnetfeldpulse. So wurden bereits Dekohärenzzeiten im Bereich von einer Minute erreicht, die Speicherexperimente werden gleichzeitig aber komplex und schwer handhabbar. Kapitel 5 stellt eine alternative Technik zur Verlängerung der Speicherzeit vor. Sie basiert auf der Übertragung der Kohärenzinformation in eine langlebige Besetzungsverteilung (englisch: coherence population mapping, kurz CPM). Durch eine kurze Lese- und Schreibsequenz werden Amplitude und Phase der Kohärenz auf eine Besetzungsverteilung in einem Dreiniveausystem übertragen und wieder ausgelesen. Die Speicherzeit ist dabei nur noch durch die Lebensdauer der Besetzungen begrenzt. Das neuartige CPM Protokoll hebt sich dabei von dem bekannten stimulierten Photonenecho ab, welches zwingend ein inhomogen verbreitertes Medium benötigt um eine Kohärenz unabhängig von ihrer Phase zu speichern. Die Information ist hierbei unterschiedlich auf eine Vielzahl von Einzelsystemen verteilt. CPM hingegen speichert die volle Information in einem einzelnen Dreiniveausystem bzw. in jedem atomaren System innerhalb des Speichermediums gleichwertig. Eine Speicherung ist dann in homogen und inhomogen verbreiterten Speichermedien unabhängig von der Kohärenzphase möglich. Innerhalb dieser Arbeit konnten die genannten Merkmale von CPM erstmals experimentell bestätigt werden. Atomare Kohärenzen, die mittels magnetischer Wechselfelder präpariert wurden, konnten so bis in den Bereich einiger Minuten gespeichert werden. In Kombination mit EIT basierter Lichtspeicherung wurde bisher aber nur eine geringe Speichereffizienz erreicht und Licht lediglich bis zu einer halben Sekunde gespeichert. Die Ursache hierfür ist noch nicht abschließend geklärt und Kapitel 5 beinhaltet auch Vorschläge für weiterführende Untersuchungen. Das dritte Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und die Implementierung eines Festkörper-Lasersystems zur Kopplung des relevanten optischen Übergangs in PrYSO bei λ = 606nm (s. Kapitel 2). Strahlung bei dieser Wellenlänge wurde bisher von einem Farbstofflaser erzeugt. Diese Systeme erfüllen die Anforderungen hoher Ausgangsleistung und guter Frequenzstabilität, jedoch sind dafür komplexe optische Resonatoren und ein hoher Wartungsaufwand nötig. Farbstofflaser eignen sich daher nur bedingt für (zukünftige) Anwendungen außerhalb des Laborbereichs. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit der Firma Aculight ein Lasersystem entwickelt und aufgebaut, das mittels optisch parametrischer Oszillation und Summenfrequenzmischung Strahlung bei λ = 1064nm in sichtbare Strahlung im Bereich um λ = 606nm konvertiert. Dieses System zeichnet sich durch eine kompakte und robuste Bauweise aus, auch weil beide Frequenzmischprozesse auf einem einzigen, periodisch gepolten Lithiumniobat Kristall implementiert sind. Dabei sorgen Bereiche bestimmter periodischer Polung für die quasi Phasenanpassung der entsprechenden Mischprozesse. Das spezielle Design der Polungsstruktur auf dem Kristall erlaubt Ausgangsstrahlung in einem Wellenlängenbereich von λ = 605nm bis λ = 616nm mit über 1 W Ausgangsleistung. Durch eine externe Pound Drever Hall Stabilisierung wird die Frequenz des Lasersystems auf eine Linienbreite von unter 100 kHz stabilisiert. Damit wurde während dieser Arbeit der EIT basierte Festkörper-Speicher zu einem reinen Festkörperexperiment ausgeweitet, in dem mit geringem Aufwand Speicherzeiten für atomare Kohärenzen bis in den Minutenbereich demonstriert wurden.