Experimente mit einzelnen Ionen Einzelne Ladungen können nicht allein durch statische elektrische Felder stabil im Raum gehalten werden (Earnshaw-Theorem). Elektrische Wechselfelder (Paul-Falle) Elektrische und magnetische Felder (Penning-Falle) Eine Paul-Falle (Nobelpreis 1989) besteht aus zwei parabolischen Elektroden und einer Ringelektrode: 129 Wird eine Gleichspannung Udc und eine Wechselspannung Vac mit der Frequenz Ω angelegt, so hat das Potential nahe des Fallenzentrum die Form: Wobei r0 und z0 den Abstand vom Fallenzentrum zu den Elektroden angibt. Das Potential ist harmonisch und stellt für einen bestimmten Zeitpunkt eine rücktreibende Kraft in einer Dimension dar: 130 Die Trägheit des gefangenen Teilchens verhindert, dass das Teilchen in der anderen Richtung aus der Falle getrieben wird, bevor cos(Ωt) das Vorzeichen wechselt! Für bestimmte Ω rücktreibende Kraft in allen drei Raumrichtungen Bewegungsgleichungen in der Paul-Falle: Mit der Transformation: 131 folgt: Mathieu‘sche Differentialgleichung Falls (gilt üblicherweise) ist die Lösung: mit Die Lösung besteht aus einer schnellen Bewegung der Frequenz ω (Mikrobewegung) und einer langsamen Bewegung (Makrobewegung) in einem harmonischen Potential. Im Fallenzentrum verschwindet die Mikrobewegung! 132 Experimentelle Realisierungen (Beispiel: Iontraps in Innsbruck, AG Blatt) Linear LinearIon IonTraps Traps Courtesy: Rainer Blatt, University Innsbruck Paul mass filter Innsbruck Ann Arbor München Boulder, Mainz, Aarhus Innsbruck, Oxford 133 Innsbruck Innsbrucklinear linearion iontrap trap(2000) (2000) 1.0 mm 6 mm ω z ≈ 0.7 − 2 MHz ω x , y ≈ 1.5 − 4 MHz 134 40 ++ ions in a linear Paul trap 40 String of Ca String of Ca ions in a linear Paul trap row of qubits in a linear Paul trap forms a quantum register 70 µm 135 + Level Levelscheme schemeof ofCa Ca+ qubit on narrow S - D quadrupole transition P3/2 854 nm P1/2 866 nm 393 nm D5/2 397 nm D3/2 729 nm S1/2 136 Quantized QuantizedIon IonMotion Motion harmonic trap coupled system ... ... 2-level-atom ... excitation: various resonances spectroscopy: carrier and sidebands Δn = 0 D5/2 S1/2 n = Δn = -1 Δn = 1 ν 0 1 2 Laser detuning 137 Excitation Excitationspectrum spectrumof ofsingle singleion ionin inlinear lineartrap trap ωax = 1.0 MHz ωrad = 5.0 MHz 138 Addressing Addressingof ofindividual individualions ionsin inaalinear linearPaul Paultrap trap CCD images: Experimental setup: laser beam steering with an electrooptic deflector Fiber output 729nm Paul trap 20µm viewport lens P3/2 P1/2 40 Ca+ 854nm 866nm 397nm 729nm D5/2 D3/2 telescope dichroic beamsplitter S1/2 detection at 397nm CCD H.C. Nägerl et al., Phys. Rev. A 60, 145 (1999) 139 Spectroscopy Spectroscopywith withquantized quantizedfluorescence fluorescence(quantum (quantumjumps) jumps) P D monitor spectroscopy absorption and emission cause fluorescence steps (digital quantum jump signal) S detection efficiency: 99.85% Fluorescence intensity S # of measurements Anzahl der Messungen 8 7 D-Zustand besetzt SS-Zustand D state occupied state occupied besetzt 6 5 4 3 2 1 D time (s) 0 0 20 40 60 80 100 120 Zählrateper pro 99 ms ms counts 140 Coherent Coherentstate statemanipulation manipulation carrier D,0 S ,0 D,1 S ,1 time (µs) carrier and sideband Rabi oscillations with Rabi frequencies sideband Lamb-Dicke parameter time (µs) 141 Scaling Scalingthe theion iontrap trapfor forquantum quantumcomputing computing z more ions, larger traps, phonons carry quantum information Cirac-Zoller, slow for many ions (few 10 ions maybe possible) z move ions, carry quantum information around Kielpinski et al., Nature 417, 709 (2002) requires small, integrated trap structures, miniaturized optics and electronics 142 Innsbruck Innsbrucksegmented segmentedchip chiptrap trap(2005) (2005) ● assembly as sandwich on chip carrier electrode spacer electrode chip carrier 143
© Copyright 2024 ExpyDoc
