Single photons from single ions : quantum interference and distant ion interaction

Abstract

One possible physical implementation of a quantum network consists of single trapped ions which serve as quantum processors and single photons for the transmission of quantum information between the processors. Toward this, the present work contains fundamental studies on the interaction of single photons with single trapped ions. For this purpose the controlled emission of single Raman-scattered photons from a single 40Ca+ ion is explored for two different emission wavelengths. The generated photons from one ion are used to perform photonic interaction measurements between two single ions in two distant traps. For continuous emission of photons from the sender ion, absorption events at the receiver ion are detected with a quantumjump technique. Moreover, the interaction is demonstrated in triggered photon-generation mode by coincidental events in a correlation measurement. Finally, the thesis presents experiments which investigate the coherence character of the Raman process. In two level configurations, Lambda and V, it is shown that the quantummechanical phase is reflected as quantum beats in the wave packet of the generated Raman photons. The experimental data and the theoretical description reveal two different origins of the quantum beats, namely, the quantum interference in either the absorption or the emission process.

Eine mögliche physikalische Implementierung eines Quantennetzwerks besteht aus einzelnen Ionen, die als Quantenprozessoren dienen, und einzelnen Photonen für die Übertragung von Quanteninformation zwischen den Prozessoren. Die vorliegende Arbeit beinhaltet dahingehende, grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von einzelnen Photonen mit einzelnen gefangen Ionen. Dazu wird zunächst die kontrollierte Emission einzeln gestreuter Raman-Photonen für zwei verschiedene Emissionswellenlängen aus einem 40Ca+ Ion untersucht. Die erzeugten Photonen aus einem Ion werden genutzt, um die photonischeWechselwirkung zwischen zwei einzelnen Ionen in zwei getrennten Fallen durchzuführen. In kontinuierlicher Photonenemission am Sender-Ion werden Absorptionsereignisse am EmpfängerIon mit einem Nachweis von Quantensprüngen detektiert. Darüber hinaus zeigt sich die Wechselwirkung in sequenzieller Photonenerzeugung durch koinzidente Ereignisse in einer Korrelationsmessung. Abschließend werden in der Arbeit Experimente präsentiert, die den Kohärenzcharakter des Ramanprozesses untersuchen. In zwei verschiedenen Niveaustruktur-Anordnungen, Lambda und V, wird gezeigt, dass die quantenmechanische Phase sich als Quantenschwebung im Wellenpaket der Ramanphotonen wiederfindet. Die experimentellen Daten und die theoretische Beschreibung lassen die verschiedenen Ursprünge der Quantenschwebungen erkennen, nämlich, die Quanteninterferenz im Absorptions- oder Emissionsprozess.