Quantennetzwerken werden vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für Quantenmesstechnik, -kommunikation, -simulation und -computer zugesprochen. Solche Netzwerke bestehen aus Quantenknoten, die über Quantenkanäle und klassische Kanäle verbunden sind. Die dafür notwendigen Schnittstellen sind grundlegende Bausteine dieser Quantennetzwerke und verbinden die stationären Qubits, die in Knoten lokalisiert sind, mit fliegenden Qubits, die sich durch Quantenkanäle bewegen. Gefangene Ionen in optischen Hohlraumresonatoren sind ein vielversprechender Ansatz für Quantenschnittstellen, da Ionen nachweislich eine effiziente Initialisierung, kohärente Manipulation und Auslesung von Quantenzuständen ermöglichen und weiters die Hohlraumresonatoren die stationären Ionen effizient mit fliegenden Photonen verbinden. Wir beabsichtigen ein Ionenfallen-System mit einem Faserhohlraumresonator senkrecht zur Achse einer linearen Paul-Falle zu verwenden, um mehrere Ionen stark mit dem Lichtfeld des Hohlraumresonators zu koppeln. Aufgrund ihres kleinen Modenvolumens ermöglichen mikrofabrizierte Faserhohlraumresonatoren das Regime der starken Kopplung zu erreichen, wodurch eine Quantenkommunikation mit hoher Güte und gleichzeitig hoher Effizienz durchgeführt werden kann.
Diese Arbeit berichtet über die Entwicklung unseren Ionen-Faserhohlraumresonator Systems. Wir stellten Faserspiegel her, die für Längen von 400–500 µm des Hohlraumresonators optimiert sind. Eine dreidimensionale lineare Ionenfalle wurde entworfen, um darin solch einen Faserhohlraumresonator zu integrieren. Nach dem Aufbau und der Charakterisierung des Systems koppelten wir erfolgreich ein gefangenes Ion mit dem Lichtfeld des Hohlraumresonators. Ladungen auf den Fasern hinderten uns jedoch daran, diese Kopplung weiter zu optimieren. Nach kurzer Zeit waren wir nicht mehr in der Lage Ionen im Hohlraumresonator zu speichern.
Ladungen auf den Fasern stören das Fallenpotential und wenn die Fasern verschoben werden, ändern sich die Gleichgewichtsposition und die säkularen Bewegungsfrequenzen des Ions. Wir haben diese beiden Parameter für verschiedene Positionen der Fasern gemessen und diese Messungen mit Simulationen verglichen, bei denen unbekannte Ladungsdichten auf den Fasern einstellbare Parameter waren. Unter Verwendung eines Modells, das auf zwei homogenen Oberflächenladungsflächen pro Faser basiert, wurden Werte im Bereich von -10 bis +50 e/µm2 bestimmt.
Da die Ladungen auf unseren Fasern uns zwangen, einen gewissen Abstand zwischen Fasern und Ionen zu verwenden, wollten wir die Ionen-Photonen-Kopplung für eine bestimmte Länge des Hohlraumresonators optimieren. Durch einen verbesserten CO2-Laser-Ablationsprozess konnten wir den Hohlraumresonator bestehend aus unseren Faserspiegeln dem konzentrischen Regime annähern. Messungen in diesem Regime zeigten eine dreimal höhere erwartete Kooperativität im Vergleich zu einem Hohlraumresonator im konfokalen Regime, der in Experimenten nach dem Stand der Technik üblich wäre. Dies bedeutet, dass die Ionen-Photonen-Kopplung im Vergleich zum Atomzerfall und dem Zerfall des Lichtfeldes im Hohlraumresonators verbessert wurde.