Moderne Optik Schwerpunkt Quantenoptik

Vorlesung im Wintersemester 2017/2018

Prof. Dr. Gerhard Birkl

ATOME - PHOTONEN - QUANTEN

Institut für Angewandte Physik

Raum: S2/15-125 - Telefon: 16-20410 - email: gerhard.birkl@physik.tu-darmstadt.de

http://www.iap.tu-darmstadt.de/apq/

Inhalt

Grundlagen, Techniken und

physikalische Fragestellungen

der Quantenoptik

Übersicht• Wechselwirkung von Strahlung und Atomen

- Kohärente Anregung von Atomen

- Ramsey-Experimente

- Atomuhren

- Atominterferometer

• Resonanzfluoreszenz

- Beschreibung der Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter spontanem Zerfall

Übersicht

• Laserkühlung

- Wechselwirkung von Licht mit Atomen unter Änderung des Bewegungszustandes

- Laserkühlung von Atomen und Ionen

(Doppler-Kühlung)

- Sub-Doppler-Kühlung

- Erreichbare Temperaturen und Limitierungen

Übersicht

• Fallen für Atome

- Magneto-optische Falle

- Dipolfallen

- Optische Gitter

- Magnetische Fallen

- Ionenfallen

Übersicht• Bose-Einstein-Kondensation

- Grundlagen der Bose-Einstein-Kondensation

- Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten

- Nachweis von Bose-Einstein-Kondensaten

- Grundlegende Experimente

Übersicht

• Quanteninformationsverarbeitung

- Grundlagen der Quanteninformationsverarbeitung

- Experimentelle Ansätze

- Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen

- Quanteninformationsverarbeitung mit Atomen

LiteraturAusgewählte Kapitel aus:

• L. Allen, J. Eberly ‚Optical Resonance and Two-Level Atoms‘

Dover Publications, 1988, ca. € 15,-

• J. Weiner, P.-T. Ho‚Light-Matter Interaction (vol. 1)‘

Wiley, 2003, ca. € 61,-

• H. Metcalf, P. van der Straten‚Laser Cooling and Trapping‘

Springer, 2001, ca. € 43,-

LiteraturAusgewählte Kapitel aus:

• C.J. Pethik, H. Smith‚Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases‘Cambridge, 2002, ca. € 66,-

• J. Stolze, D. Suter ‚Quantum Computing‘Wiley-VCH, 2008, ca. € 55,-

• D. Bouwmeester, A. Ekert, A. Zeilinger ‚The Physics of Quantum Information‘

Springer, 2000, ca. € 75,-

Aktuelle Forschung in der Quantenoptik

• Ramsey-Spektroskopie und Ionenfallen

• Laserkühlung und optische Fallen

• Bose-Einstein-Kondensation

• (Theorie der) Quantenoptik und Präzisionsspektroskopie mit Lasern

• Messung und Manipulation von individuellen Quantensystemen

Ramsey –Spektroskopie und Ionenfallen

Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren

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Cäsium AtomuhrPTB Braunschweig

Ramsey-Spektroskopie/Atomuhren

Speicherung von Ionen in Paul Fallen

Linear Ionenfalle und Quadrupol-Speicherring

Laserkühlungund optische Fallen

Laserkühlung und Magneto-optische Falle (MOT)

Magneto-optische Falle (MOT)

Typische Parameter

Atomspezies:Alkaliatome, metastabile Edelgase (Li, Na, Rb, Cs, He, Ne, ...)

Atomzahl: 108

Temperatur:10 mK

Dichte:1010 cm-3

Refraktives und diffraktives Mikrolinsenarray

Selektive Addressierung einzelner Dipolfallen

Dipolfallen

Mikrolinsenarray

Vielfachrealisierung von optischen Mikropotentialen

Vielfachrealisierung von Dipolfallen durch Fokussieren eines (weit) rot-verstimmten Laser-strahls mit einem Mikrolinsenarray

Kleine Foki durch hohe Numerische Apertur

Großer Abstand der Mikrolinsen (typisch 100µm) ermöglicht getrennte räumliche Adressierung der Einzelfallen

Vielfachrealisierung von Mikropotentialen

Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen in optischen Mikropotentialen

Anzahl der Fallen > 50

Fallenparameter für das Dipolfallenarray:

P = 10 mW pro Falle

Fallengröße w0 = 6 µm

Fallentiefe = 16 mK

Atome pro Falle= 2·103

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F.B.J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).

Bose-Einstein-Kondensation

Laser beam and light bulb

Laser lightOrdinary light

diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)

divergentincoherentmany small wavesmany modes

Bose-Einsteincondensate

Ordinary gas

diffraction limited (directional)coherentone big wavesingle mode (monochromatic)

divergentincoherentmany small wavesmany modes

BEC phase transition

MIT

JILA

BEC in Darmstadt

3D-Bild von drei kalten Atomwolken @ 139nK, 62nK und 30 nK

TUD

Atom Laser

(Theorie der)Quantenoptik und Präzisions-spektroskopie

Prinzip der Frequenzmessung

1, 2, 3, ...

Oszillator Zählwerk

- Pendel - mechanische Zähler- Quarzoszillator - elektronische Zähler- optischer Oszillator - optisches Zählwerk

Ziel bei der Entwicklung von Oszillatoren:Erreichen möglichst hohe Güte: Q = f / Df

Hohe Frequenz f und geringe Linienbreite Df

Zum Vergleich: Mechanische Oszillatoren

Wichtig sind immer: Oszillator und Zählwerk

Quantenoptik: Atom = Oszillator; Frequenzkamm = Zählwerk

Aufbau eines optischen Frequenzkammgenerators

Garchinger Frequenzkamm (T. Hänsch et al.)

Messung und Manipulation individueller Quantensysteme

Kontrolle individueller Quantensysteme

www.nobelprize.org

Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen

Lineare Ionenkristalle

Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen

www.nobelprize.org

Universität Innsbruck

Individuell kontrolliebare Ionen in Ionenfallen

G. Birkl, S. Kassner, and H. Walther, Nature 357, 310 (1992).

Universität Innsbruck

Lineare Ionenkristalle

Zentrales Element für quantenphysikalische Experimente mit Ionen