Quantum optical experiments towards atom-photon entanglement [Elektronische Ressource] / Markus Weber

Markus Weber

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 39
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Quantum optical experiments towards
atom-photon entanglement
Dissertation  at the  Department  of  Physics 
of  the
Ludwig­M aximilians­Uni versität  München
Markus  Weber
München,  March 31,  2005Gutachter:    Prof.  Dr.  Harald Weinfurter
           Prof.  Dr. Khaled  Karrai
Tag  der  mündlichen  Prüfung:  17. Juni  2005für Merle und CasparAcknowledgements
I would lik e t o th ank you a ll:
Jürgen Volz, Prof. Harald Weinfurter, Prof. Christian Kurtsiefer, Daniel Schlenk, Wenjamin
Rosenfeld,   Dr.   Markus   Greiner,   Karen   Saucke,   Johannes   Vrana,   Nikolei   Kiesel,   Prof.
Mohamed Bourennane, Patrick Zarda, Oliver Schulz, Tobias Schmitt­Manderbach, Christian
Schmid, Manfred Eibl, Dr. Markus Oberparleiter, Chunlang Wang, Henning Weier, Nadja
Regner, Gerhard Huber, Anton Scheich, Prof. T. W. Hänsch, Prof. Sophie Kröger, Prof. Theo
Neger, Prof. Laurentius Windholz, Dr. Richard Kamendje, Prof. Dieter Zimmermann, Olaf
Mandel, Prof. Jakob Reichel, Gabriele Gschwendtner, Nicole Schmid, Prof. Immanuel Bloch,
Artur Wid era.Abstract
In 1935 Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) used the assumption of local realism to con-
clude in a Gedankenexperiment with two entangled particles that quantum mechanics
is not complete. For this reason EPR motivated an extension of quantum mechan-
ics by so-called local hidden variables. Based on this idea in 1964 Bell constructed a
mathematical inequality whereby experimental tests could distinguish between quantum
mechanics and local-realistic theories. Many experiments have since been done that are
consistent with quantum mechanics, disproving the concept of local realism. But all
these tests su ered from loopholes allowing a local-realistic explanation of the exper-
imental observations by exploiting either the low detector e ciency or the fact that
the detected particles were not observed space-like separated. In this context, of spe-
cial interest is entanglement between di eren t quantum objects like atoms and photons,
because it allows one to entangle distant atoms by the interference of photons. The
resulting space-like separation together with the almost perfect detection e ciency of
the atoms allows a rst loophole-free test of Bell’s inequality.
The primary goal of the present thesis is the experimental realization of entanglement
between a single localized atom and a single spontaneously emitted photon at a wave-
length suitable for the transport over long distances. In the experiment a single optically
87trapped Rb atom is excited to a state which has two selected decay channels. In the
following spontaneous decay a photon is emitted coherently with equal probability into
both decay channels. This accounts for perfect correlations between the polarization
state of the emitted photon and the Zeeman state of the atom after spontaneous decay.
Because these decay channels are spectrally and in all other degrees of freedom indis-
tinguishable, the spin state of the atom is entangled with the polarization state of the
photon. To verify entanglement, appropriate correlation measurements in complemen-
tary bases of the photon polarization and the internal quantum state of the atom are
performed. It is shown, that the generated atom-photon state yields an entanglement
delit y of 0:82.
The experimental results of this work mark an important step towards the generation
of entanglement between space-like separated atoms for a rst loophole-free test of Bell’s
inequality. Furthermore entanglement between a single atom and a single photon is an
important tool for new quantum communication and information applications, e.g. the
remote state preparation of a single atom over large distances.Zusammenfassung
Im Jahr 1935 ver o en tlichten Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) ein Gedankenex-
periment, in dem mit Hilfe zweier verschr ankter Teilchen und der Annahme, dass jede
physikalische Theorie lokal sein muss, gezeigt wurde, dass die Quantenmechanik eine un-
vollst andige ist. EPR motivierten damit die Erweiterung der Quantenmechanik
durch sogenannte lokale verborgene Parameter. Basierend auf dieser Idee konstruierte
Bell 1964 eine mathematische Ungleichung, anhand derer erstmals mit Hilfe von exper-
imentellen Tests zwischen der Quantentheorie und lokalen realistischen Theorien unter-
schieden werden konnte. Seither wurden viele Experimente durchgefuhrt, die die Quan-
tentheorie best atigten und das Konzept der lokalen verborgenen Parameter widerlegten.
Aber all diese experimentellen Tests litten unter sogenannten Schlup ochern, die eine
lokal-realistische Erkl arung der experimentellen Beobachtungen zulie en. Entweder die
verwendeten Detektoren hatten eine zu niedrige Detektionse zienz, oder die detektierten
Teilchen wurden nicht raumartig getrennt beobachtet. In diesem Zusammenhang ist die
Verschr ankung zwischen unterschiedlichen Quantenobjekten wie Atomen und Photonen
von besonderem Interesse, da hiermit zwei weit voneinander entfernte Atome durch In-
terferenz von Photonen robust verschr ankt werden k onnen. Die daraus resultierende rau-
martige Trennung erm oglicht zusammen mit der beinahe perfekten Detektionse zienz
der Atome einen ersten schlup o chfreien Test der Bell’schen Ungleichung.
Das vorrangige Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Realisierung von Verschr ankung
zwischen einem einzelnen lokalisierten Atom und einem einzelnen spontan emittierten
Photon, mit einer Wellenl ange die sich gut zum Transport ub er gro e Entfernungen
87eignet. In dem vorliegenden Experiment wird ein einzelnes, optisch gefangenes, Rb
Atom in einen Zustand angeregt, der zwei ausgezeichnete Zerfallskan ale hat. Beim
nachfolgenden Spontanzerfall wird ein Photon mit gleicher Wahrscheinlichkeit koh arent
in beide Kan ale emittiert. Dies bedingt eine perfekte Korrelation zwischen der Polari-
sation des emittierten Photons und dem Zeemanzustand des Atoms nach dem Spontan-
zerfall. Da diese Kan ale spektral und in allen anderen Freiheitsgraden ununterscheid-
bar sind, kommt es zur Verschr ankung des Polarisationsfreiheitsgrads des Photons mit
dem Spinfreiheitsgrad des Atoms. Zum Nachweis der Verschr ankung werden geeignete
Korrelationsmessungen zwischen dem internen Zustand des Atoms und dem Polari-
sationszustand des Photons in komplement aren Messbasen vorgenommen. Es wird
gezeigt, dass der generierte Atom-Photon Zustand mit einer Gute von 82 Prozent ver-
schr ankt ist.
Die in dieser Arbeit gewonnenen experimentellen Ergebnisse markieren einen wich-
tigen Schritt in Richtung Verschr ankung zweier raumartig getrennter Atome fur einen
ersten schlup o chfreien Test der Bell’schen Ungleichung. Darub erhinaus ist die Ver-
schr ankung zwischen einem einzelnen Atom und einem einzelnen Photon ein wichtiges
Werkzeug zur Realisierung von neuen Anwendungen auf dem Gebiet der Quantenkom-
munikation und Quanteninformationsverarbeitung, wie zum Beispiel der Zustandspr apa-
ration eines einzelnen Atoms ub er gro e Entfernungen.