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Laser Technologies for Applications in Quantum Information Science

Preuschoff, Tilman (2023)
Laser Technologies for Applications in Quantum Information Science.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023242
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Laser Technologies for Applications in Quantum Information Science
Language: English
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 154 Seiten
Date of oral examination: 13 February 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023242
Abstract:

Scientific progress in experimental physics is inevitably dependent on continuing advances in the underlying technologies. Laser technologies enable controlled coherent and dissipative atom-light interactions and micro-optical technologies allow for the implementation of versatile optical systems not accessible with standard optics.

This thesis reports on important advances in both technologies with targeted applications ranging from Rydberg-state mediated quantum simulation and computation with individual atoms in arrays of optical tweezers to high-resolution spectroscopy of highly-charged ions. A wide range of advances in laser technologies are reported: The long-term stability and maintainability of external-cavity diode laser systems is improved significantly by introducing a mechanically adjustable lens mount. Tapered-amplifier modules based on a similar lens mount are developed. The diode laser systems are complemented by digital controllers for laser frequency and intensity stabilisation. The controllers offer a bandwidth of up to 1.25 MHz and a noise performance set by the commercial STEMlab platform. In addition, shot-noise limited photodetectors optimised for intensity stabilisation and Pound-Drever-Hall frequency stabilisation as well as a fiber based detector for beat notes in the MHz-regime are developed. The capabilities of the presented techniques are demonstrated by analysing the performance of a laser system used for laser cooling of Rb85 at a wavelength of 780 nm. A reference laser system is stabilised to a spectroscopic reference provided by modulation transfer spectroscopy. This spectroscopy scheme is analysed finding optimal operation at high modulation indices. A suitable signal is generated with a compact and cost-efficient module. A scheme for laser offset-frequency stabilisation based on an optical phase-locked loop is realised. All frequency locks derived from the reference laser system offer a Lorentzian linewidth of 60 kHz (FWHM) in combination with a long-term stability of 130 kHz peak-to-peak within 10 days. Intensity stabilisation based on acousto-optic modulators in combination with the digital controller allows for real-time intensity control on microsecond time scales complemented by a sample and hold feature with a response time of 150 ns.

High demands on the spectral properties of the laser systems are put forward for the coherent excitation of quantum states. In this thesis, the performance of active frequency stabilisation is enhanced by introducing a novel current modulation technique for diode lasers. A flat response from DC to 100 MHz and a phase lag below 90° up to 25 MHz are achieved extending the bandwidth available for laserfrequency stabilisation. Applying this technique in combination with a fast proportional-derivative controller, two laser fields with a relative phase noise of 42 mrad for driving rubidium ground state transitions are realised. A laser system for coherent Rydberg excitation via a two-photon scheme provides light at 780 nm and at 480 nm via frequency-doubling from 960 nm. An output power of 0.6 W at 480 nm from a single-mode optical fiber is obtained . The frequencies of both laser systems are stabilised to a high-finesse reference cavity resulting in a linewidth of 1.02 kHz (FWHM) at 960 nm. Numerical simulations quantify the effect of the finite linewidth on the coherence of Rydberg Rabi-oscillations. A laser system similar to the 480 nm Rydberg system is developed for spectroscopy on highly charged bismuth.

Advanced optical technologies are also at the heart of the micro-optical generation of tweezer arrays that offer unprecedented scalability of the system size. By using an optimised lens system in combination with an automatic evaluation routine, a tweezer array with several thousand sites and trap waists below 1 μm is demonstrated. A similar performance is achieved with a microlens array produced in an additive manufacturing process. The microlens design is optimised for the manufacturing process. Furthermore, scattering rates in dipole traps due to suppressed resonant light are analysed proving the feasibility of dipole trap generation using tapered amplifier systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der wissenschaftliche Fortschritt in der Experimentalphysik beruht maßgeblich auf technologischem Fortschritt. Lasertechnologien ermöglichen kohärente und dissipative Wechselwirkung von Lichtfeldern und Atomen. Mikrooptische Technologien bieten einen Zugang zu vielseitigen, neuartigen optischen Systemen, die nicht mit herkömmlichen Optiken realisiert werden können. In dieser Arbeit werden relevante Weiterentwicklungen dieser beiden Technologien vorgestellt. Die Anwendungen reichen von Quantencomputern und Quantensimulatoren auf Basis von neutralen Rydberg-Atomen bis hin zur hochauflösenden Spektroskopie von hochgeladenen Ionen.

Eine Vielzahl von neuartigen Lasertechnologien werden vorgestellt: Die Verwendung eines justierbaren Linsenhalters ermöglicht eine erhöhte Langzeitstabilität und reduziert den Wartungsaufwand deutlich. Weiterhin werden Module für Trapezverstärker entwickelt, die auf einem ähnlichen Linsenhalter basieren. Digitale Regler ermöglichen eine aktive Stabilisierung der Laserfrequenz und Laserintensität. Die Regler erreichen eine Bandbreite von 1,25 MHz. Ihr Rauschverhalten wird von der verwendeten kommerziellen STEMlab-Plattform bestimmt. Darüber hinaus werden Photodetektoren für Intensitätsstabilisierung und Frequenzstabilisierung mit dem Pound-Drever-Hall-Verfahren, sowie ein glasfasergekoppelter Photodetektor zur Aufnahme von Schwebungssignalen im MHz-Bereich vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit der Systeme wird durch die Realisierung eines Lasersystems zur Laserkühlung von Rb85 bei 780 nm demonstriert. Eine präzise Frequenzreferenz wird mittels Modulationstransfer-Spektroskopie verwirklicht. Die Wahl eines großen Modulationsindex bietet ein optimiertes Fehlersignal. Ein kompaktes Modul zur Signalerzeugung wird vorgestellt. Zur Stabilisierung anderer Lasersysteme relativ zu dem Referenzsystem wird eine Phasenregelung herangezogen. Alle abgeleiteten Frequenzstabilisierungen weisen eine Halbwertsbreite von 60 kHz und Frequenzfluktuationen unter 130 kHz innerhalb von 10 Tagen auf. Der Einsatz der digitalen Regler ermöglicht die Kontrolle von Laserintensitäten auf Mikrosekunden-Zeitskalen. Auf kürzeren Zeitskalen wird ein Sample-und-Hold-Verfahren mit einer Reaktionszeiten von 150 ns verwendet.

Für die kohärente Manipulation von Quantenzuständen werden Lasersysteme mit einer besonders hohen spektralen Güte benötigt. In dieser Arbeit wird eine neuartige Technik zur Strommodulation von Diodenlasern vorgestellt, durch welche eine hohe Bandbreite zur aktiven Frequenzstabilisierung zu Verfügung steht. Mit dem Verfahren wird ein glattes Transferverhalten bis 100 MHz und eine Phasenverzögerung unter 90° bis zu 25 MHz erreicht. Durch Einsatz der Technik ist es möglich, zwei Laserfelder zur kohärenten Kopplung der Rubidium-Grundzustände mit einem relativen Phasenrauschen von 42 mrad zu erzeugen. Zur kohärenten Anregung von Rydberg-Zuständen wird ein frequenzverdoppeltes 960 nm-Lasersystem in Kombination mit einem 780 nm-System verwendet. Es stehen 0.6 W optische Leistung bei 480 nm zur Verfügung. Beide Lasersystem werden auf einen optischen Referenzresonator hoher Güte stabilisiert. Dabei wird eine Linienbreite von 1,02 kHz bei 960 nm erreicht. Ein ähnliches Lasersystem zur Spektroskopie von hochgeladenen Bismut-Ionen wird vorgestellt.

Die Erzeugung von Quantenregistern mit Hilfe von Mikrooptiken ermöglicht eine ausgezeichnete Skalierbarkeit der Systemgrößen. Register mit mehreren tausend Fallenplätzen und Strahltaillen unter 1 μm werden durch Einsatz eines optimierten Objektives realisiert. Die additive Fertigung von Mikrolinsenregistern erlaubt es, Quantenregister ähnlicher Güte mit einer flexiblen Geometrie herzustellen. Das Mikrolinsendesign wird auf diese Anwendung optimiert. Darüber hinaus werden resonante Streuprozesse in Dipolfallen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist ein eigens entwickeltes Trapezverstärkersystem zu diesem Zweck einzusetzen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232421
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Atoms Photons Quanta
Date Deposited: 22 Mar 2023 10:28
Last Modified: 23 Mar 2023 07:27
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23242
PPN: 506208451
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