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Quantentechnologie

Dieter Meschedes Forschungsgruppe

Quantentechnologie mit einzelnen neutralen Atomen

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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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