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Quantentechnologie

Dieter Meschedes Forschungsgruppe

Quantentechnologie mit einzelnen neutralen Atomen

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Ultra-low birefringence dodecagonal vacuum glass cell - patent pending

Modern experiments for the investigation of cold atom ensembles require an ultra-high vacuum apparatus with a very large optical access and an accurate preservation of the state of polarization of laser beams. Typical ultrahigh vacuum cells suffer from residual stress-induced birefringence, which deteriorates the polarisation's purity [1]. In addition, birefringence gradients prevent the full compensation of birefringence. This effect effectively limits the extinction ratio to typically η > 10-5. We recently developed an ultra-low birefringence ultra-high vacuum cell that exhibits a polarization extinction two orders of magnitude smaller than commercial vacuum cells at around η ≈ 10-7 [2]. Besides the ultra-low birefringence, the vacuum cell features a dodecagonal geometry with double-sided antireflection coated windows (see picture). The cell is currently utilized in one of our laboratories, where we manipulate ultracold Cs atoms in two-dimensional state-dependent optical lattices.

If you are interested in our invention for commercial applications, please see our patent abstract containing also the contact to our patent advisor, PROvendis [3].

[1]: S. Brakhane, and A. Alberti, "Technical note: Stress-Induced Birefringence in Vacuum Systems", download link (June, 2016)
[2]: S. Brakhane, W. Alt, D. Meschede, C. Robens, G. Moon, and A. Alberti, "Note: Ultra-low birefringence dodecagonal vacuum glass cell," Rev. Sci. Instrum. 86, 126108 (2015)
[3]: Patent abstract, PROvendis, Patent advisor of the University of Bonn, download link (March, 2016)

 

 
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Gastwissenschaftler vom Laboratoire Kastler-Brossel

Wir freuen uns sehr, Jean-Michel Raimond als Gast für 10 Wochen in unserer Gruppe willkommen zu heißen. Jean-Michel Raimond ist Professor an der Université Pierre et Marie Curie und der Ecole Normale Supérieure. Er hat seine Karriere am Laboratoire Kastler-Brossel der Erforschung der Licht-Materie-Wechselwirkungen auf dem Niveau einzelner Quanten gewidmet, und er ist ein direkter Mitarbeiter von Serge Haroche, der vor kurzem mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Sein Aufenthalt in Bonn wird durch den Humboldt-Preis der Alexander von Humboldt-Stiftung ermöglicht. Wir profitieren von einer spannenden wissenschaftlichen Kollaboration mit Prof. Raimond!

 
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Resonator-QED mit einzelnen Atomen

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Das Ziel der Resonator-Quantenelektrodynamik (Resonator-QED) ist es, die komplexe Licht-Materie-Wechselwirkung auf der grundlegensten Ebene zu verstehen, indem ein möglichst einfaches Modellsystem präpariert wird: ein einzelnes Atom gekoppelt an ein einzelnes Photon in einer kontrollterten Umgebung. Während sich einzelne Atome gut mittels Laserkühlung und optischen Dipolfallen kontrollieren lassen, müssen Photonen eingesperrt werden indem man sie zwischen zwei Spiegeln fortdauernd hin- und herreflektiert. Diese optischen Resonatoren bilden somit eine "Falle" für Licht.

In einem solchen System lässt sich die Physik hinter der spontanen und stimulierten Emission und Absorption von Photonen und den dazugehörigen Übergängen des Atoms zwischen verschiedenen Quantenzuständen in einzigartiger Klarheit untersuchen. Dies wird durch die starke Kopplung des Atoms mit dem Resonatorfeld ermöglicht, die es beispielsweise einem einzelnen Atom erlaubt, die optische Transmission durch die Cavity zu blockieren. Genauso kann ein einzelnes Photon den Zustand eines Atoms deterministisch ändern. In der Zukunft könnten solche stark gekoppelten Systeme aus Atom und Photon Anwendungen in der Quantenkommunikation besitzen.

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Few-atom quantum systems

Fig. 1: The vacuum cell with lattice and imaging system: Individual cesium atoms can be trapped and observed.

Our team is working on quantum information processing using a small number of Cesium atoms. We load the atoms into a 1D optical lattice and use the spin of each atom as a quantum bit, with the ability to set and read out each atom individually—a quantum register. Our lattice uses a special wavelength which makes the optical potential state-depedent, giving us the ability to shift atoms in the lattice depending on their internal state. We are currently researching the phenomena exhibited by a single atom when it is coherently separated over several sites. Ultimately, our goal is the controlled interaction of two atoms, creating entanglement that can be used in a quantum computation.

Our recent results include:

 
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Vorträge