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Titelaufnahme

Titel
Multi-mode cooling techniques for trapped ions / vorgelegt von Regina Lechner
VerfasserLechner, Regina
GutachterBlatt, Rainer
ErschienenInnsbruck, August 2016
Umfangxii, 132 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftAugust 2016, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus zwei Artikeln
Datum der AbgabeSeptember 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quantencomputer / Paulfalle / Laserkühlung / EIT Kühlung / Mehr-Moden Kühlung / Schnelle adiabatische Passagen
Schlagwörter (EN)quantum computer / Paul trap / laser cooling / EIT cooling / multi-mode cooling / rapid adiabatic passage
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5739 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
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Multi-mode cooling techniques for trapped ions [4.02 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit wird die Anwendung von Laserkühlverfahren zur Kontrolle der Ionenbewegung in zwei unterschiedlichen Fallengeometrien präsentiert, wobei spezielles Augenmerk auf der Kühlung durch elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) liegt. Die Eigenschaft der schnellen Breitbandkühlung, welche diese Kühlmethode aufweist, ist in einer Vielzahl von Experimenten erstrebenswert. Der Anwendungsbereich der Technik erstreckt sich von der Kühlung in Experimenten mit Quantengasmikroskopen über die hier präsentierte Anwendung in Ionenfallen bis hin zur Kühlung von nanomechanischen Resonatoren. Im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung stellt die Methode eine Verbesserung verglichen mit der üblicherweise genutzten Seitenbandkühlung dar: die überlegenen Kühleigenschaften erlauben eine Steigerung der Anzahl der Ionen welche an einer Berechnung teilnehmen was mit einer Steigerung der Rechenleistung des Quantencomputers gleichbedeutend ist. Somit ist die Anwendung von EIT Kühlung ein weiterer Schritt, damit Quantencomputer in der nahen Zukunft klassische Computer überflügeln können.

In einer segmentierten Mikrofalle wurden Daten zur wiederholten Anwendung der Seitenbandkühlung sowie zur Kühlung durch EIT für bis zu zwei Ionen gewonnen. Diese Daten deuteten auf die mögliche Breitbandkühlung durch die EIT Methode hin. Allerdings erschwerten systematische Instabilitäten der Mikrofalle eine Implementierung der Technik für lange Ionenketten. Aus diesem Grund wurden zusätzliche Messungen mit Hilfe einer makroskopischen Paulfalle durchgeführt. Dies erlaubte die Charakterisierung der Kühlbandbreite und der Kühlrate gemessen mit Ionenketten von bis zu achtzehn Ionen.

Für mehrere gefangene Ionen führt die Coulomb Abstoßung zu einer Verteilung der Modenanregung über den gesamten Ionenkristall. Daher liefert die normalerweise für Einzelionen benutzte Methode zur Messung der Vibrationsanregung keine aussagekräftigen Resultate. Aus diesem Grund basieren die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse auf einer neuen Technik zur Bestimmung der Anregung der Bewegungsmoden beruhend auf schnellen adiabatischen Passagen (RAP).

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis presents methods to control the excitation of motional modes with laser-cooling methods implemented in two different trap geometries. Special interest is put on the implementation of electromagnetically induced transparency (EIT) cooling. The fast broadband cooling behavior provided by this scheme is sought-after in a wide range of applications ranging from quantum gas microscopes to cooling of nanomechanical resonators. For quantum information processing with trapped ions, the results presented in this thesis characterize an improvement compared to commonly used sideband-cooling schemes. The superior cooling properties allow an increase in the number of quantum resources used, which is synonymous with an increase in the computational power available. Thus, it is one additional step to outperform classical computers on an increasing number of tasks in the near future.

A segmented microtrap was used to obtain data on repetitive sideband cooling and cooling relying on EIT applied to up to two trapped ions. These data indicated that EIT cooling has a broadband nature that could be extended to more ions. Systematic instabilities of the segmented trap setup prevented investigations of larger ion crystals. Thus, additional measurements were carried out using a macroscopic ion trap.

EIT cooling was implemented in a macroscopic linear trap setup with the ability to stably trap long ion strings. Subsequently, the cooling bandwidth and cooling rate of the EIT cooling scheme were characterized using ion crystals with up to eighteen ions. Such large crystals share the vibrational excitation of a motional mode over the whole ion string due to Coulomb repulsion. Therefore, techniques used to investigate a modes vibrational excitation for single ions are no longer applicable. Thus, some of the results were obtained applying a novel measurement method based on rapid adiabatic passage (RAP).