Single-atom-single-photon interaction

Ein einzelnes Atom ist unbezweifelbar eines der geeignetsten Objekte, um fundamentale Fragen der Quantenphysik zu studieren und quantenmechanische Effekte auf elegante Weise zu demonstrieren. Einzelne, gefangene Ionen haben daher Meilensteine auf diesem Gebiet gesetzt, und sind mit großem Erfolg in der Präzisionsspektoskopie und für optische Uhren eingesetzt worden, und sind in hohem Maße für den Einsatz im Bereich der Quanteninformationsverabeitung anwendbar. Dieses Projekt soll sich mit der Studie eines einzelnen Ions beschäftigen, welches über eine lange Wegstrecke mit seinem eigenen Spiegelbild wechselwirkt. Diese Situation ist von fundamentalem Interesse unter einer Reihe von Gesichtspunkten. Die Wechselwirkung von einem Ion, das über einen Spiegel mit sich selbst gekoppelt ist, stellt eine gute Näherung an die kontrollierte Einzelatom-Einzelphoton Wechselwirkung dar, d.h. zwischen elementaren Baublöcken von Licht und Materie. Auf der anderen Seite verändert die Gegenwart eines Spiegels die Wechselwirkung von Ion und dem elektromechanischen Vakuumfeld, welches in einer quantenmechanischen Beschreibung der Elektrodynamik seinen Ursprung hat. Die Natur dieser Wechselwirkung ist eng mit dem quantenmechanischen Meßprozess verbunden und wirft noch ungeklärte Fragen auf, insbesondere was die Zeit angeht, die für das "Bemerken" des Spiegels seitens des Ions notwendig ist. Unser Experiment wird helfen, diese Fragen zu beantworten. Ein wichtiges Element für die Entwicklung fortgeschrittener Ionenexperimente ist die Kontrolle der Ionenbewegung. Für viele Experimente ist es sogar notwendig, das Ion in den niedrigsten Bewegungszustand zu "kühlen", der in der Ionenfalle möglich ist. Durch Detektion des abgestrahlten Lichts des Ions kann man dessen Bewegung in Echtzeit beobachten, und zwar mit einer Genauigkeit, die wesentlich besser ist als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Solch ein Fluoreszenzsignal kann dann verarbeitet und elektronisch auf die Ionenbewegung zurückgekoppelt werden. Dies kann in einer solchen Weise geschehen, daß die Bewegung des Ions gekühlt wird. Die Weiterentwicklung und Charakterisierung dieses neuartigen Kühlverfahrens ist ein weiterer Teil unserer geplanten Arbeit. Schließlich wollen wir die experimentellen Voraussetzungen schaffen, um die Quanteninformation eines Ions durch Licht auf ein anderes zu übertragen. Solch ein Verfahren könnte eine Schlüsselkomponente in einem zukünftigen dezentralen Quantencomputer sein, wo Quanteninformation effizient über große Entfernungen transportiert werden muss.