Raman scattering of single photons and its use for quantum networks and high-precision measurements

Abstract

This work concerns the interaction of single atoms and light as a platform for quantum-communication networks, both experimentally and simulative. It treats, at its kernel, the calcium ion as a node of such a network, i. e. as storage of a quantum bit. Especially the quantum interface of this ion with the light field and its experimental implementation are addressed in detail. Thereby spontaneous Raman scattering is used to transfer the polarisation state of a single photon onto the ion’s electronic state and vice versa. On the way to this interface the Raman scattering process of single photons was investigated intensively. This led to a high-precision experiment measuring the phase shift of such photons as well as a detailed theoretical study of the spectral and temporal structure of the photons. The experiments used and expanded an existing hybrid quantum-optical set-up consisting of two identical ion traps and a light source of entangled photon pairs.

Diese Arbeit behandelt die Wechselwirkung einzelner Atome mit Licht als Plattform für Quantenkommunikationsnetzwerke, sowohl experimentell als auch simulativ. Im Kern befasst sie sich mit dem Calciumion als Knotenpunkt eines solchen Netzwerks, d. h. als Speicher eines Quantenbits. Insbesondere wird die Quantenschnittstelle dieses Ions mit dem Lichtfeld und ihre experimentelle Umsetzung detailliert behandelt. Dabei wird durch spontane Raman-Streuung der Polarisationszustand eines einzelnen Photons auf den elektronischen Zustand des Ions übertragen und umgekehrt. Auf dem Weg zur Umsetzung dieser Schnittstelle wurde der Raman’sche Streuprozess einzelner Photonen genau untersucht. Dies mündete in einem Hochpräzisionsexperiment zur Messung des Phasengangs solcher Photonen sowie zu einer detaillierten theoretischen Studie der spektralen und temporalen Struktur der Photonen. Zur Verwirklichung dieser Experimente wurde ein bestehender hybrider quantenoptischer Aufbau, bestehend aus zwei identischen Ionenfallen sowie einer Lichtquelle verschränkter Photonenpaare, genutzt und erweitert.

Die dò Ahwett hannelt vun de Weggselwirgung ähnselner Atome mim Licht als Arwettsplatt fa e Quandenetzwerk – unn zwar experimendell unn simmuleert. In de Hauptsach geht’s um’s Calciumion als Knibbelche vun some Netzwerk, das häßt, es dud e Quandebit speichere. Insbesonnere gebt die Quandeschnittstell vum Ion mim Lichtfeld unn die experimendell Umsetzung dòdevun genau beschrieb. Dòdebei werd mit spondaner Raman-Streiung de Polarisationszustand vumme ähnselne Phoddòn uff de elegdronische Zustand vum Ion iwwertrah odder annersch’erum. Uffem Wäh zu der dò Schnittstell is ’em Raman sei Streiprozess genau unnersucht wòr. Das hat zum ähne zuner scheen Messung vum Phasegang vun so Phodone gefihrt unn zum annere zuner deddaijiert theoredisch Ahwett iwwer die spegdral unn zeitlich Strugdur vun denne Phodone. Fa die dò Experimende ze mache, is amme voorischer Quandeobdik-Uffbau geknoddelt wòr unn aach noch meh draangebaut wòr. Bestehn duder aus zwä Ionefalle vun ähn unn de selb Sort unn’er Quell vun veschrängde Phodonepaare.