Diese Dissertation ist Teil eines Projektes, mit dem Ziel der Entwicklung eines zuverlässigen und effizienten Quantendatenspeichers zur optischen Quanteninformationsverarbeitung. Die Verarbeitung von Quanteninformationen bietet die Chance die klassische Datenverarbeitung und moderne Kommunikationsnetzwerke, mit ihren beschränkten Möglichkeiten zur Steigerung von Rechenleistung und Speicherkapazität, ablösen zu können. Ein häufig diskutierter Ansatz stellt die Wechselwirkung von Photonen als Informationsträger mit atomaren Systemen dar, deren Eigenschaften durch quantenmechanische Gesetze bestimmt sind und damit die Fähigkeit besitzen quantenmechanische Superpositionszustände tragen zu können. Zur Realisierung einer vollständig quanten-optischen Informationsverarbeitung wird daher ein optischer Quanten-Datenspeicher benötigt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung eines solchen optischen Quanten-Datenspeichers, auf Basis eines seltenerd-dotierten Kristalls. Als Speichermedien besitzen seltenerd-dotierte Kristalle vorteilhafte spektroskopische Eigenschaften, insbesondere geringe Wechselwirkungen und damit schmale homogene Linienbreiten, ähnlich kalter atomarer Gase. Sie zeichnen sich darüber hinaus durch ihre einfache Handhabung und ihre Skalierbarkeit aus und eignen sich daher gut für den Einsatz in Anwendungen außerhalb der Grundlagenforschung. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Protokolle zur Speicherung quanten-optischer Information entwickelt. In dieser Arbeit kommt ein Protokoll, basierend auf dem Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT), zum Einsatz. Dieses ermöglicht es einen Informationen tragenden Lichtpuls (Speicherpuls) in eine kollektive atomare Kohärenz des Speichermediums zu übertragen. Speichereffizienz und maximale Speicherzeit werden im Allgemeinen durch das verwendete Speicherprotokoll und das Speichermedium definiert. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung eines solchen EIT-basierten quanten-optischen Datenspeichers realisiert in einem Praseodym-dotierten Yttrium-ortho-Silikat (PrYSO) Kristall.

Zunächst wurde die Speichereffizienz des EIT Lichtspeicherprotokolls optimiert. Hierzu wurden systematische Untersuchungen der EIT Speichereffizienz durchgeführt. Die EIT Speichereffizienz wird im Allgemeinen durch die optische Dichte des Speichermediums begrenzt. Seltenerd-dotierte Kristalle zur Datenspeicherung besitzen in der Regel relativ geringe Dotierungsgrade und damit geringe optische Dichten um spannungsinduzierte Linienverbreiterungen zu minimieren. Der hier verwendete PrYSO Kristall wies eine optische Dichte von 6 auf. Bei gegebener optischer Dichte wird die Speichereffizienz durch die Parameter von Kontroll- und Speicherpuls bestimmt. Es wurden daher zunächst die experimentellen Parameter von Kontroll- und Speicherpuls systematisch variiert und die Lichtspeichereffizienz optimiert. Die maximal erreichte EIT Speichereffizienz betrug 36 % und ist vergleichbar mit theoretisch ermittelten maximalen Speichereffizienzen bei optischen Dichten von 6. Um die Speichereffizienz weiter steigern zu können wurden verschiedene Ansätze zur Erhöhung der optischen Dichte diskutiert. Es wurde ein optischer Ring entwickelt um den Speicherpuls mehrfach durch den PrYSO Kristall leiten zu können. Dieser erlaubt eine variable Einstellung der Anzahl der Durchläufe N des Speicherpulses durch den PrYSO Kristall. Es ergibt sich eine effektive optische Dichte. Die EIT Speichereffizienz wurde für verschiedene effektive optische Dichten optimiert. Für N=14 und einer effektiven optischen Dichte von 84 wurde eine EIT Speichereffizienz von 76.3 % erreicht. Dies entspricht aktuell der höchsten Speichereffizienz realisiert mittels EIT in einem Festkörper.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden komposite und adiabatische Techniken zur Verlängerung der Speicherzeit untersucht. In PrYSO wird die maximale Speicherzeit durch die Lebensdauer der atomaren Kohärenzen bestimmt. In der Regel liegen die erreichbaren Speicherzeiten einige Größenordnungen unter dem theoretischen Maximum. Die atomaren Kohärenzen werden in einem inhomogen verbreiterten Hyperfeinübergang präpariert. Dies führt zu unterschiedlicher Phasenevolution der einzelnen Kohärenzen. Dieser Effekt ist als Dephasierung bekannt und verhindert ein effektives Auslesen der Information für Speicherzeiten länger als die Dephasierungszeit. Häufig werden diabatische π-Pulse zur Rephasierung eingesetzt. Diese benötigen jedoch für eine effiziente Rephasierung präzise definierte Pulsparameter und verfügen lediglich über eine geringe Stabilität gegenüber Variationen experimenteller Parameter. In der Kern-Spin-Resonanz werden komposite Pulse seit langem eingesetzt um Pulsfehler und Inhomogenitäten zu kompensieren. Allerdings können die meisten kompositen Pulse lediglich spezielle Formen von Pulsfehlern kompensieren. In dieser Arbeit wurden zunächst univeral composite pulses (UCP) zur Rephasierung atomarer Kohärenzen untersucht. UCP zeichnen sich dadurch aus, dass sie in der Lage sind jede Art von Inhomogenität oder Variation von Pulsparametern kompensieren zu können. In systematischen Messungen konnte gezeigt werden, dass UCP, im Vergleich zu π-Pulsen, eine deutlich höhere Stabilität gegen Variationen von experimentellen Parametern aufweisen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass UCP zur gleichzeitigen Kompensation verschiedener Arten von Pulsfehlern eingesetzt werden können. Die Rephasierungseffizienz konnte im Vergleich zu einfachen π-Pulsen um bis zu 25 % gesteigert werden. Weiterhin wurden zwei adiabatische Techniken zur Rephasierung atomarer Kohärenzen untersucht. Diese weisen, solange die Adiabasiebedingung ausreichend erfüllt ist, eine hohe Stabilität gegenüber Schwankungen von experimentellen Parametern auf. Allerdings werden dazu häufig relativ lange Wechselwirkungszeiten benötigt. Kann die Adiabasiebedingung nur unzureichend erfüllt werden, nimmt ihre Stabilität gegenüber experimentellen Schwankungen deutlich ab. Um adiabatische Prozesse unter solchen Bedingungen verwenden zu können wurde von Torosov et al. die Verwendung eines kompositen adiabatischen Prozesses, composite adiabatic passage (CAP), vorgeschlagen. CAP ist eine komposite Erweiterung von rapid adiabatic passage (RAP) und wurde zur Optimierung unzureichend adiabatischer Prozesse entwickelt. In dieser Arbeit wurde eine erste experimentelle Impementierung von CAP vorgestellt. Es wurden systematische Messungen zur Rephasierungseffizienz von RAP und CAP bei unterschiedlich erfüllter Adiabasiebedingung durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass CAP auch bei unzureichender Adiabasie eine hohe und stabile Rephasierungseffizienz liefert, unabhängig von der genauen Wahl der Pulsparameter. Des Weiteren wurden single-shot shaped pulses (SSSP) zur Rephasierung eingesetzt. Diese Pulse basieren auf der Idee, einer Reduzierung der Wechselwirkungsdauer adiabatischer Prozesse. Es konnte gezeigt werden, dass SSSP zur Rephasierung eingesetzt werden können und im Vergleich zu π-Pulsen, ein robusteres Verhalten aufweisen. Ein weiterer Vergleich mit RAP und CAP steht noch aus. Die in dieser Arbeit untersuchten Rephasierungstechniken unterscheiden sich insbesondere in der benötigten Kontrolle über die verschiedenen experimentellen Parameter. Zur Implementierung von UCP werden lediglich identische Pulse und eine relative Phasenkontrolle zwischen den Pulsen, mit einer Genauigkeit von wenigen Grad, vorausgesetzt. Die relativen Phasenänderungen sollten möglichst instantan umgesetzt werden können. Die zeitliche Pulsform spielt hier keine Rolle. Für CAP ist neben der Phasenkontrolle zusätzlich eine zeitlich variable Verstimmung erforderlich. Für SSSP muss ein komplexer zeitlicher Verlauf der Rabifrequenz und der Verstimmung experimentell umgesetzt werden können. Hierfür wird eine möglichst exakte und schnelle Kontrolle der experimentellen Parameter benötigt. Die Wahl einer bestimmten Rephasierungstechnik, wird daher neben den zu kompensierenden Inhomogenitäten des Systems, entscheidend von der möglichen Kontrolle der verschiedenen experimentellen Parameter bestimmt.

Neben der reversiblen Dephasierung treten in PrYSO stochastische Phasenänderungen einzelner Kohärenzen auf, die durch eine einfache Rephasierung nicht kompensiert werden können. Diese begrenzen die Kohärenzzeit in der Regel auf 500 µs. Solche Phasenänderungen können nicht unterdrückt werden, allerdings ist es möglich statische und dynamische Techniken anzuwenden, die den Einfluss dieser Phasenänderungen auf die Kohärenzzeit minimieren. Die dynamische Dekohärenzkontrolle basiert auf der schnellen und häufigen Wechselwirkung von Invertierungspulsen mit den präparierten Kohärenzen. Meistens werden dazu identische π-Pulse verwendet, die mit einer Wiederholrate größer als die Zeitskala der stochastischen Phasenänderungen eingestrahlt werden. Pulsfehler der eingestrahlten π-Pulse können die Effizienz der dynamischen Dekohärenzkontrolle reduzieren. Es wurden daher in dieser Arbeit komposite Pulse zur dynamischen Dekohärenzkontrolle eingesetzt. Insbesondere wurden UCP und universal robust (UR) Sequenzen untersucht und die Ergebnisse mit bekannten Sequenzen zur dynamischen Entkopplung, wie CPMG, KDD und KDD in XY4, verglichen. Die hier vorgestellten UR Sequenzen konnten die erreichten Speicherzeiten, im Vergleich zu KDD in XY4, nochmals um einen Faktor 2 steigern.

Die Kombination, der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, hoher EIT Lichtspeichereffizienzen und moderner Techniken zur dynamischen Dekohärenzkontrolle, mit statischer Dekohärenzkontrolle soll in Zukunft eingesetzt werden um Lichtpulse mit wenigen Photonen speichern zu können. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen somit einen wichtigen Schritt zur Entwicklung eines Festkörper-basierten Quantendatenspeichers dar.