Resonator-QED-Experimente mit einzelnen 40Ca+-Ionen

Die Kombination eines optischen Resonators und einer Ionenfalle
erlaubt QED-Versuche mit einzelnen oder wenigen Teilchen, die mit
einer Mode des elektromagnetischen Feldes wechselwirken
(Resonator-QED). Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik werden
seit 1997 Experimente mit einer linearen Paulfalle zur Speicherung
von Kalziumionen durchgeführt. Dabei wurde eine ausgezeichnete
Lokalisierung des Ions in der Mode eines UV-Resonators
demonstriert, und mit einem IR-Resonator gelang die Realisierung
einer deterministischen Einzelphotonenquelle. Im Rahmen der
vorliegenden Arbeit wurde mit dem gleichen System die
Langzeit-Stabilität der Kopplung zwischen Ion und
elektromagnetischem Feld weiter untersucht. Sie ist eine wichtige
Voraussetzung für den Einsatz der Einzelphotonenquelle in der
Quanteninformationsverarbeitung. Dazu wurde die Resonatoremission
eines einzelnen Ions über einen Zeitraum von 30 min gemessen und
statistisch mit Hilfe der Allan-Varianz ausgewertet. Im verwendeten
Aufbau war auf einer Zeitskala unterhalb von 30 Sekunden die
Schwankung des Photonensignals allein durch die Photonenstatistik
aufgrund endlicher Emissions- und Detektionseffizienz bestimmt,
während sich erst oberhalb von 200 Sekunden eine geringe Drift des
Systems bemerkbar machte. Ein weiterer entscheidender Parameter der
Photonenquelle ist die Emissionswahrscheinlichkeit für
Einzelphotonen, die für praktische Anwendungen möglichst hoch sein
sollte. Es wurden in der Arbeit deshalb Untersuchungen und
experimentelle Verbesserungen des Aufbaus vorgenommen, um Wege zur
Erhöhung der Effizienz der Photonenquelle zu finden. Dabei spielen
Resonatordämpfung und Kopplung zwischen Ion und Feld eine
entscheidende Rolle. Um eine geringere Dämpfung des Resonatorfeldes
zu erreichen, wurde ein Resonator mit kleinerer Transmissivität des
Auskoppelspiegels aufgebaut. Der Austausch des Spiegels machte eine
neue Halterung notwendig, da die größere Finesse eine höhere
mechanische Stabilität erfordert. Gleichzeitig wurde ein neues
Diodenlasersystem bei 920 nm entwickelt, das optisch auf einen
Z-Resonator stabilisiert ist. Die Länge des Experimentalresonators
wird mit diesem Laser nach dem Pound-Drever-Hall-Verfahren konstant
gehalten. Um die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld so weit zu
erhöhen, daß sie zum bestimmenden Faktor für die Dynamik des
Systems wird (starke Kopplung), muß der Abstand der Spiegel
verringert werden. Allerdings haben experimentelle Untersuchungen
und begleitende Berechnungen des Einflusses der dielektrischen
Spiegelsubstrate auf das Speicherfeld der Falle mit einem
Finite-Elemente-Programm gezeigt, daß sich eine Resonatorlänge
unter 6 mm, und damit starke Kopplung, nur mit Hilfe eines
miniaturisierten Aufbaus der Falle realisieren läßt. Die im
Experiment verwendete lineare Falle erlaubt es, auch mehrere Ionen
mit dem Resonatorfeld wechselwirken zu lassen und auf diese Weise
mehr als ein Photon pro Pumppuls zu emittieren. Dies wurde in der
Arbeit mit zwei Ionen im Resonator untersucht. Dabei wurde die
Kreuzkorrelation der emittierten Photonen nach dem Verfahren von
Hanbury Brown-Twiss gemessen. Anders als bei einer
Einzelphotonenquelle treten bei zwei Ionen im Resonator
Photonenkoinzidenzen auf, aus denen sich Rückschlüsse auf die
Dynamik der Ionen ziehen lassen. Eine mögliche Anwendung der
Speicherung mehrerer Teilchen ist die Verschränkung von Ionenpaaren
im Resonator.