Photonen in Wechselwirkung mit Rydberg Superatomen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Peter Büchler
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428455952

Dieses Projekt untersucht die starke Wechselwirkung von propagierenden Photonen im freien Raum mit kleinen kalten atomaren Wolken, die ein sogenanntes Rydberg Superatom bilden. Die zugrundeliegende Idee ist, dass die Photonen zu einem hochangeregten Rydberg Zustand koppeln entweder mittels der adiabatischen Elimination eines niedrigen elektronischen Zustandes oder mittels der elektromagnetisch induzierten Transparenz. Die starke Wechselwirkung zwischen den Rydberg Zuständen führt zu einer Blockade, die nur eine einzelne Rydberg Anregung in der Wolke zu lässt in atomaren Wolken die kleiner sind als der Blockaderadius. Dieser Setup führt daher zu einem Rydberg Superatomen mit einer kollektiven Kopplung an die Photonen. Der Schwerpunkt des vorliegenden Antrages ist eine Zusammenarbeit zwischen der experimentellen Gruppe von Prof. S. Hofferberth und der theoretischen Gruppe von Prof. H.P. Büchler zur Untersuchung von Quanteneffekten die mittels der Kopplung solchen Rydberg Superatomen und dem Lichtfeld realisiert werden, und die Anwendung dieser Phänomene für die Quanteninformationsverarbeitung. Ein wichtiger Aspekt sind die Korrelationen die solche Rydberg Superatome auf das Lichtfeld induzieren: das Konsortium hat in vorangegangenen Arbeit bereits das Verhalten eines einzelnen Superatoms studiert. In diesem Projekt wird nun das Verhalten von mehreren Rydberg Superatomen untersucht, und insbesondere die Fragestellung beantwortet wie das Zusammenspiel sich auf die Korrelationen auswirkt. Von der theoretischen Seite ist es eine fundamentale Frage, ob in einem solchen System das Quantenregressionstheorem angewendet werden kann, um die Korrelationen zu bestimmen, als auch die Vorhersagen experimentell zu Überprüfen. Ein anderer wichtiger Schwerpunkt ist das Verhalten der elektromagnetisch induzierten Transparenz für ein einzelnes Superatom, wo spezielle gebundene Zustände von Photon auftauchen können. In all diesen Untersuchen spielt die Dephasierung des angeregten Superatomzustandes eine wichtige Rolle, und es ist eine fundamentale Frage, ob der virtuelle Austausch von Photonen immer zu einer intrinsischen Dephasierung führt. Zum Schluss wird die mikroskopische Beschreibung der Lichtpropagation in einem Superatom analysiert und der Einfluss der zufälligen Verteilung der Atome untersucht. Insbesondere wird die Fragestellung beantwortet, ob diese zufällige Verteilung eine Schranke geben für die Effizienz der Speicherung von Licht in der Wolke als auch zur Realisierung von Quantengatter für Photonen führt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sebastian Hofferberth