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Quantentechnologie

Dieter Meschedes Forschungsgruppe
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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.

In unserem Experiment koppeln wir einzelne neutrale Cäsium-Atome an das Feld eines Resonators hoher Güte. Einzelne Photonen können zwischen den hochreflektierenden Spiegeln unseres Resonators für eine gewisse Zeit "gespeichert" werden: Ein einzelnes Photon wird im Mittel ca. 300.000 mal reflektiert, bevor es verloren geht! Die Einschränkung des elektrischen Feldes auf ein kleines Volumen ermöglicht zudem eine hohe Atom-Resonator-Kopplungsstärke: das ist die Rate, mit der Energie zwischen den Atomen und dem Resonatorfeld ausgetauscht wird.  Ein mögliches Ziel ist es, über das Resonatorfeld mehrere Atome miteinander zu koppeln und so korrelierte (z.B. verschränkte) Zustände zu erzeugen. Bei Interesse an einer Master- oder Diplom-Arbeit hier klicken. Bei Interesse an einer Doktorarbeit s. rechts auf dieser Homepage.