Spectral properties of single Raman-scattered photons

Abstract

Single photons with well controlled spectral and temporal properties are an essential resource for quantum communication protocols, such as the quantum repeater. Such photons can be generated from a single ion by Raman scattering. A fundamental understanding of the underlying scattering process allows to tailor properties of these Raman photons for the respective application. This work contains a comprehensive experimental study on spectral properties of single Raman-scattered photons, generated by laser excitation. The necessary experimental tools to measure spectra of single photons are presented. In addition, I expand an existing quantum optical model description to corroborate the experimental results. With study of 393nm and 854nm photons emitted from a single 40Ca+ ion, I am able to characterize the dependence of their spectra on properties of the excitation laser. With that, I confirm that the linewidth of a photon generated with weak laser excitation is narrower than the corresponding transition in the 40Ca+ ion. Furthermore, I study the influence of quantum interference effects on the spectrum of the scattered photon. In all cases, the measured spectra are in good agreement with spectra calculated using the model. As an application of tailored spectral properties, atom-photon entanglement is generated. Thereby spectral filtering erases the correlation between frequency and polarization.

Einzelne Photonen mit kontrollierten spektralen und zeitlichen Eigenschaften sind eine wichtige Ressource für Quantenkommunikationsprotokolle wie den Quantenrepeater. Solche Photonen können mit einem einzelnen Ion durch Raman-Streuung erzeugt werden. Ein grundlegendes Verständnis des Streuprozesses erlaubt es Raman-Photonen an die jeweilige Anwendung anzupassen. Diese Arbeit enthält eine umfassende experimentelle Analyse der spektralen Eigenschaften von einzelnen durch Laseranregung gestreuten Raman-Photonen. Ich stelle die benötigten experimentellen Werkzeuge zum Messen der Spektren einzelner Photonen vor. Zusätzlich erweitere ich ein bestehendes quantenoptisches Modell, um die experimentellen Ergebnisse zu untermauern. Ich untersuche 393nm und 854nm Photonen, welche mit einem 40Ca+ Ion erzeugt werden um die Abhängigkeit des Spektrums von den Parametern des anregenden Lasers zu charakterisieren. Damit zeige ich, dass die Photonen für eine schwache Laseranregung eine schmalere Linienbreite haben als der entsprechende Übergang im 40Ca+ Ion. Zusätzlich untersuche ich den Einfluss von Quanteninterferenzeffekten auf das Spektrum des gestreuten Photons. In allen Fällen zeigen die gemessenen Spektren eine gute Übereinstimmung mit den modellierten Spektren. Als Anwendung von maßgeschneiderten Spektren wird Atom-Photon Verschränkung erzeugt. Dabei löst spektrales filtern die Korrelation zwischen Frequenz und Polarisation auf.