Mit gefangenen lonen in einen optischen Resonator schauen

Die Quantentheorie sagt uns, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter besitzt. Das Verhalten von Licht kann als elektromagnetische Welle beschrieben werden, aber auch als diskretes Quantum, ein sogenanntes Photon. Seit den 1950er Jahren haben Quantenphysiker darüber nachgedacht, wie man Photonen einfangen könnte. Ein Ansatz ist es, eine Box zu bauen, die aus zwei parallelen Spiegeln mit hoher Reflektivität besteht. Ein Photon, das in die Box gelangt bleibt darin, indem es zwischen den Spiegeln hin- und her springt. So eine Box wird Resonator genannt. In der Praxis kann die Reflektivität der Spiegel allerdings nicht 100% sein, weswegen die Photonen den Resonator nach einer gegebenen Lebenszeit wieder verlassen. Solche Resonatoren haben eine zentrale Rolle in der Erforschung der klassischen Optik, der Quantenoptik und der Quanteninformation gespielt. Seit den 90er Jahren haben Physiker über eine Methode nachgedacht, ein Photon innerhalb eines Rosonators zu detektieren, ohne es dabei zu zerstören. Solch eine Messung ist notwendig, weil nichtklassische Quantenzustände typischerweise sehr leicht kaputt gehen können durch den Verlust von Photonen durch die Resonatorspiegel. Außerdem besteht ein großer Unterschied zwischen der Beschaffenheit des nichtklassischen Lichtfeldes innerhalb und außerhalb des Resonators. In den letzten Jahrzehnten wurde intensiv in diese Richtung im Bereich der Mikrowellenresonatoren geforscht. Aufgrund vielerlei technischer Schwierigkeiten war es allerdings noch nicht möglich, das innere Feld eines optischen Resonators zu messen. Wir schlagen hier zwei fundamentale Quantenoptikexperimente vor, um den Quantenzustand von Photonen im Inneren eines optischen Resonators zu messen. Das erste Projekt ist die Messung der Photonenzahlverteilung in einem optischen Resonator. Wir verwenden gefangene Calcium-Ionen in einem Resonator, die als Sonden zur nichtdestruktiven Messung der Photonen dienen. Mithilfe eines externen elektrischen Feldes können wir ein Calcium-Ion in der Mitte des Resonators positionieren. Dieses Calcium-Ion erfährt eine Verschiebung der Energieniveaus, welche von der Anzahl der Photonen im Resonator abhängt. Präzisionsspektroskopie soll verwendet werden, um die von der Photonenzahl abhängige Verschiebung der Energieniveaus zu messen, und so die quantenmechanische Natur des elektromagnetischen Feldes zu zeigen. Das zweite Projekt ist die Erzeugung von Fock-Zuständen - d.h. Photonenzahl-Zustände im Resonator - mithilfe von mehreren Ionen. Die Ionen haben hier zwei Aufgaben: ein Hilfsion wird benutzt, um mit der zuvorgenannten Methode die Photonenstatistik innerhalb des Resonators zu messen. Um die Photonenstatistik zu beeinflussen, wird das andere Ion mit einem gut kontrolliertenPumplaseradressiert, was letztendlich zurErzeugung von zurechtgeschnittenen Fockzuständen führt. Die Bedeutung der hier vorgeschlagenen Arbeit ist die erste nichtdestruktive Messung des Feldes im inneren eines optischen Resonators. Die erfolgreiche Verwirklichung dieser Aufgabe würde vielerlei neue Möglichkeiten im Gebiet der Quantenoptik und Quanteninformation eröffnen, wie zum Beispiel Photonendetektoren mit 100% Effizienz und die nichtdestruktive Messung von Schrödingerkatzen im Bereich der optischen Resonatoren.

In diesem Lise-Meitner-Programm mit dem Titel "Mit gefangenen Ionen in einen optischen Resonator schauen" führten wir eine experimentelle Untersuchung zur zerstörungsfreien Messung der Photonenzahl in einem optischen Resonator durch. Das Herzstück des Experiments besteht aus einem einzelnen, in einem Resonator eingefangenen Calcium-Ion. Wir betreiben den Resonator mit einem sehr schwachen Laserfeld, um ihn mit einer geringen Photonenzahl zu bevölkern. Der Quantenzustand der Resonator-Photonen wird über eine nicht-resonante Wechselwirkung in den elektronischen Zustand des Ions überführt. Die Photonenzahl wird ohne die Annihilation der Photonen gemessen. Dazu wird der Zustand des Ions mit einer hochauflösenden Spektroskopie aufgenommen und das entsprechende Spektrum mit einer Maximum-Likelihood-Methode analysiert, um die Photonenzahlen zu rekonstruieren. Es zeigt sich, dass die Rekonstruktion sehr gut für die Vakuum-, kohärenten und thermisch-kohärenten Zustände funktioniert. In der optischen Domäne ist dieses Experiment die erste Demonstration einer Feldmessung innerhalb eines Resonators und stellt einen wichtigen Schritt dar, um nichtklassische Zustände innerhalb eines Resonators zu erzeugen. Wir sehen das erhaltene Ergebnis als einen bemerkenswerten Fortschritt nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch der angewandten Forschung an. Auf dem Forschungsgebiet der Quantenoptik ist dieses Experiment die erste Demonstration einer Feldmessung innerhalb eines Resonators im optischen Bereich. Konkret verwendet diese Messung eine nicht-resonante Wechselwirkung zwischen dem einzelnen Atom und den Photonen, um nicht-klassische Zustände im Resonator wie Fock-Zustände oder Schrödinger-Katzen-Zustände zu erzeugen. Im Mikrowellenbereich wurde bereits eine Fülle von erfolgreichen Experimenten unter Verwendung dieser Wechselwirkung durchgeführt. Aufgrund der hier erzielten Ergebnisse glauben wir, dass es nun möglich wird, solche Experimente im optischen Bereich zu implementieren. Im Rahmen der neueren Quantentechnologie kann das Experiment als eine Entwicklung eines neuen Quantensensors betrachtet werden. Dazu wird ein Quantensystem verwendet, um physikalische Eigenschaften zu messen, die mit keinem klassischen Gerät zugänglich sind. Wir demonstrierten ein zerstörungsfreies Auslesen der Photonenzahlen im Resonator unter Verwendung der "Quantenkohärenz" des Ions. Diese Art der Bestimmung der Photonenzahl kann verschiedene Anwendungen auf dem Forschungsgebiet der Quantenmetrologie und der Quantennetzwerke finden. Beispielsweise kann Empfindlichkeit einermetrologischen VorrichtunggemessenoderdieSicherheiteines Quantenkommunikationsprotokolls getestet werden.