Quantennetzwerke und Quantensimulationen mit Ionen in einem optischen Resonator

Ionen in einem optischen Resonator können zur Licht-Materie Kopplung in einem Quantennetzwerk dienen und in dieser Funktion die Übertragung von Quanteninformation über große Distanzen ermöglichen. Um dieses Ziel zu verwirklichen, machen wir Gebrauch von den neuesten Techniken zur Kontrolle von lasergekühlten, gefangenen Ionen sowie kohärenter Ionen-Resonator-Wechselwirkungen. Als Ausgangspunkt dient die von uns kürzlich gezeigte Verschränkung eines Ions mit einer Resonatormode. Auf dieser aufbauend stehen nun die Wechselwirkungen von zwei Ionen mit einer einzelnen Feldmode des Resonators im Fokus des Projekts. Dazu werden wir verschiedene Methoden erforschen, mit denen sich Verschränkung zwischen den Atomen erzeugen lässt, und wir werden untersuchen, wie die Güte der Ion-Photon-Schnittstelle sich verbessern lässt mit steigender Ionenzahl. Im Gegensatz zu anderen Experimenten, die kollektive Wechselwirkungen eines großen atomaren Ensembles an einen optischen Resonator untersucht haben, wird das geplante neue Experiment zum ersten Mal den Quantenzustand individueller Ionen manipulieren und detektieren. Die Konstruktion eines Quantencomputers, dessen Leistungsfähigkeit diejenige klassischer Computer übertrifft, ist immer noch ein fernes Ziel. In naher Zukunft erscheint es dagegen realistisch, dass Quantensimulationen neue Einsichten in physikalische Prozesse liefern können, die sich mit klassischen Techniken nicht erreichen lassen. In einer Quantensimulation reproduziert ein physikalisches Quantensystem die Physik eines anderen Quantensystems. Erste Demonstrationsexperimente haben gezeigt, dass Ionen in linearen Kristallen die Eigenschaften von Spin- Systemen emulieren können, wobei die Spins dabei zum Beispiel Elektronen in einem Festkörpergitter repräsentieren können. In unserem neuen Schema schlagen wir vor, kontinuierliche Systeme, d.h. Feldtheorien, zu simulieren mithilfe von Ionen, die an einen optischen Resonator gekoppelt werden. In diesem Projekt werden wir eine experimentelle Realisierung entwickeln, in dem ein Ion-Resonator-System die wohlbekannte Quantenfeldtheorie simuliert, die durch den Lieb-Liniger-Hamilton-Operator beschrieben wird. Die Fähigkeit, interessante physikalische Prozesse in Atom-Resonator-Systemen zu beobachten, ist oft beschränkt durch die verfügbaren Technologien. Daher werden wir parallel zu den oben beschriebenen Experimenten ein neues faserbasiertes Design zur Integration eines optischen Resonators mit einer Ionenfalle entwickeln. Wir erwarten, dass dieses Design die Experimente in das Regime bringt, in dem die Resonator-Dynamik durch kohärente Prozesse dominiert wird.

Zwei entgegengesetzte Spiegel bilden einen optischen Resonator, in welchem Licht vom einen zum anderen Spiegel zirkuliert. Die Platzierung einzelner gefangener Ionen zwischen den Resonatorspiegeln ermöglicht es uns die Interaktion zwischen dem Lichtfeld und den Ionen zu untersuchen. Der optische Resonator bildet dabei eine quantenmechanische Schnittstelle zwischen den gefangenen Ionen und Photonen, den quantenmechanischen Teilchen des Lichtes. Eine solche Schnittstelle erlaubt es Informationen zwischen den Ionen und Photonen zu transferieren und spielt daher bei der Verknüpfung verschiedener Quantencomputer über größere Distanzen eine wichtige Rolle. Für den Informationsaustausch zwischen den entfernten Quantencomputern werden die Photonen als Informationsträger verwendet und mit Hilfe von Glasfaserkabeln transferiert. Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Wechselwirkung zweier gefangener Ionen mit einer Mode eines optischen Resonators. Wir demonstrierten erfolgreich eine neue Methode zur Verschränkung zweier gefangener Ionen mit Hilfe des optischen Resonators. Befinden sich zwei Teilchen in einem verschränkten Zustand, so können sie nicht unabhängig voneinander beschrieben werden. Diese speziellen Zustände sind eine essenzielle Ressource für die Quanteninformationsverarbeitung von Quantencomputern und Quantennetzwerken. Zur Erzeugung dieses Zustandes verschränkten wir zuerst jedes Ion mit einem Photon und eine anschließende Messung der Photonen verschränkte beide Ionen miteinander.In einem zweiten Experiment konnten wir zeigen, dass durch Verwendung eines verschränkten Zustandes der Informationstransfer vom Ion auf das Photon stabiler durchgeführt werden kann. Zu Beginn des Experiments transferierten wir die auf einem einzelnen Ion gespeicherte Information auf ein Photon. Anschließend kodierten wir dieselbe Information in den verschränkten Zustand zweier Ionen und transferierten erneut die Information. Im Vergleich zum ersten Prozess ging dabei der Informationstransfer effizienter vonstatten. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass andere verschränkte Zustände die Kopplung zwischen den Ionen und dem Resonator verringern. Meist sind unsere Möglichkeiten quantenmechanische Prozesse in unserem System zu beobachten durch technologische Hindernisse limitiert. Daher haben wir parallel zu diesen Experimenten ein neues System zur Integrierung von faserbasierten optischen Resonatoren mit Ionenfallen entwickelt. Unser Design ermöglicht, dass die Dynamik in unserem System von den quantenmechanischen Wechselwirkungen dominiert wird. Momentan untersuchen wir die Wechselwirkung eines solchen Faserresonators mit einem einzelnen Ion.