Hochstabile Laserlichtquelle für quantenlogische Operationen mit hoher Fidelity
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der hochstabile Titan Saphir Laser wird für die Anregung von einzelnen gefangenen Ionen benutzt. Wir verwenden Kalzium Ionen in einer Mikrofalle und der Laser treibt den Übergang vom S1/2 in den metastabilen D5/2 Zustand an. Die Wellenlänge dient zur Spektroskopie, weiterhin zur Grundzustandskühlung der Ionen, zur Charakterisierung des Bewegungszustandes oder des angelegten Magnetfeldes und für quantenlogische Operationen. Wir haben die Frequenz des Lasers mittels Pound Drewer Hall Fehlersignal auf einen hochstabilen Referenzresonator stabilisiert. Dabei wird eine Linienbreite von sub-kHz erreicht. Die Lichtleistung des Lasers ist ausreichend hoch um damit gleichzeitig über ein Netz von optischen Fasern 5 Ionenfallenapparaturen mit dem hochstabilen Licht bei 729nm zu versorgen. Dabei können die Frequenzen, Leistungen und die Dauer der Ionen-Licht Wechselwirkung durch akusto-optische Modulatoren völlig unabhängig bei jedem Experiment eingestellt werden. Im ersten Experiment werden Ionen in einer segmentierten Mikroionenfalle für quantenlogische Verschränkungsoperationen hoher Fidelität angeregt. Wir verbinden diese Operationen an internen elektronischen qubit Niveaus mit der vollständigen Kontrolle der Bewegung und Position der Ionen in der Falle. Im zweiten Experiment wird ebenfalls eine segmentierte Ionenfalle verwendet, die sich jedoch zusätzlich in einer magnetischen Abschirmung befindet. Damit erreichen wir eine Fidelity von >99,99% für Einzel- und >99% für Zwei-qubit Operationen bei einer Gatterzeit von wenigen µs wobei die Kohärenzzeit 2.2s erreicht wird, damit 5 Größenordnungen länger ist. Diese extrem lange Kohärenzzeit wurde durch die magnetische Abschirmung der Fallenapparatur ermöglicht. Wir realisieren komplexe Quanten Algorithmen und erreichen Vielteilchen-Verschränkung mit hoher Fidelity. Im dritten Experiment, einer Mikrofalle mit einem hohen magnetischen Gradienten, können Seitenbänder angeregt werden. In einem vierten Experiment werden Ionen mit einem optischen Faserresonator gekoppelt. In einem fünften Experiment werden gefangene Ionen in einer hochangeregten Rydbergzustand angeregt, um das sehr hohe Dipolmoment für quantenlogische Operationen und Quantensimulation zu verwenden. Der aus den FUGG Mitteln beschaffte hochstabile Titan Saphir Laser ist eine äußerst zuverlässige und täglich genutzte Quelle die eine Vielzahl von Aufgaben in einer Vielzahl von international sichtbaren Forschungsprojekten übernimmt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Controlling fast transport of cold trapped ions" Phys. Rev. Lett. 109, 080501 (2012)
A. Walther, F. Ziesel, T. Ruster, S. T. Dawkins, K. Ott, M. Hettrich, K. Singer, F. Schmidt-Kaler, U. G. Poschinger
- "Interaction of a laser with a qubit in thermal motion and its application to robust and efficient readout" Appl. Phys. B: Lasers and Optics 107, 1159 (2012)
U. G. Poschinger, A. Walther, M. Hettrich, F. Ziesel, F. Schmidt-Kaler
- "Precise experimental investigation of eigenmodes in a planar ion crystal" Phys. Rev. Lett. 109, 263003 (2012)
H. Kaufmann, S. Ulm, G. Jacob, U. G. Poschinger, H. Landa, A. Retzker, M.B. Plenio, F. Schmidt-Kaler
- "Precision measurements in ion traps using slowly moving standing waves" Appl. Phys. B: Lasers and Optics 107, 1061 (2012)
A. Walther, U. G. Poschinger, K. Singer, F. Schmidt-Kaler
- "Experimental creation and analysis of displaced number states" Jour. of Phys. B 46, 104008 (2013)
F. Ziesel, T. Ruster, A. Walther, H. Kaufmann, K. Singer, F. Schmidt-Kaler, U. G. Poschinger
- "Experimental realization of fast ion separation in segmented Paul traps" Phys. Rev. A 90, 033410 (2014)
T. Ruster, C. Warschburger, H. Kaufmann, C. T. Schmiegelow, A. Walther, M. Hettrich, A. Pfister, V. Kaushal, F. Schmidt-Kaler, U. G. Poschinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.90.033410) - "Mode shaping in mixed ion crystals of 40Ca2+ and 40Ca+" Appl. Phys. B 114, 11 (2014)
T. Feldker, L. Pelzer, M. Stappel, P. Bachor, D. Kolbe, J. Walz, F. Schmidt-Kaler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00340-013-5673-1) - "Measurement of Dipole Matrix Elements with a Single Trapped Ion", Phys. Rev. Lett. 115, 143003 (2015)
M. Hettrich, T. Ruster, H. Kaufmann, C. F. Roos, C. T. Schmiegelow, F. Schmidt-Kaler, U. G. Poschinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.143003) - "Rydberg excitation of a single trapped ion", Phys. Rev. Lett. 115, 173001 (2015)
Th. Feldker, P. Bachor, M. Stappel, D. Kolbe, R. Gerritsma, J. Walz, F. Schmidt-Kaler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/7/075014) - "Phase-stable freespace optical lattices for trapped ions", Phys. Rev. Lett. 116, 033002 (2016)
C. T. Schmiegelow, H. Kaufmann, T. Ruster, J. Schulz, V. Kaushal, M. Hettrich, F. Schmidt- Kaler, U. G. Poschinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.033002)
