Resonator-QED-Experimente mit einzelnen 40Ca+-Ionen
Die Kombination eines optischen Resonators und einer Ionenfalle erlaubt QED-Versuche mit einzelnen oder wenigen Teilchen, die mit einer Mode des elektromagnetischen Feldes wechselwirken (Resonator-QED). Am Max-Planck-Institut f\xfcr Quantenoptik werden seit 1997 Experimente mit einer linearen Paulfalle zur Speicherung von Kalziumionen durchgef\xfchrt. Dabei wurde eine ausgezeichnete Lokalisierung des Ions in der Mode eines UV-Resonators demonstriert, und mit einem IR-Resonator gelang die Realisierung einer deterministischen Einzelphotonenquelle.\n\nIm Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit dem gleichen System die Langzeit-Stabilit\xe4t der Kopplung zwischen Ion und elektromagnetischem Feld weiter untersucht. Sie ist eine wichtige Voraussetzung f\xfcr den Einsatz der Einzelphotonenquelle in der Quanteninformationsverarbeitung. Dazu wurde die Resonatoremission eines einzelnen Ions \xfcber einen Zeitraum von 30 min gemessen und statistisch mit Hilfe der Allan-Varianz ausgewertet. Im verwendeten Aufbau war auf einer Zeitskala unterhalb von 30 Sekunden die Schwankung des Photonensignals allein durch die Photonenstatistik aufgrund endlicher Emissions- und Detektionseffizienz bestimmt, w\xe4hrend sich erst oberhalb von 200 Sekunden eine geringe Drift des Systems bemerkbar machte.\n\nEin weiterer entscheidender Parameter der Photonenquelle ist die Emissionswahrscheinlichkeit f\xfcr Einzelphotonen, die f\xfcr praktische Anwendungen m\xf6glichst hoch sein sollte. Es wurden in der Arbeit deshalb Untersuchungen und experimentelle Verbesserungen des Aufbaus vorgenommen, um Wege zur Erh\xf6hung der Effizienz der Photonenquelle zu finden. Dabei spielen Resonatord\xe4mpfung und Kopplung zwischen Ion und Feld eine entscheidende Rolle.\n\nUm eine geringere D\xe4mpfung des Resonatorfeldes zu erreichen, wurde ein Resonator mit kleinerer Transmissivit\xe4t des Auskoppelspiegels aufgebaut. Der Austausch des Spiegels machte eine neue Halterung notwendig, da die gr\xf6\xdfere Finesse eine h\xf6here mechanische Stabilit\xe4t erfordert. Gleichzeitig wurde ein neues Diodenlasersystem bei 920 nm entwickelt, das optisch auf einen Z-Resonator stabilisiert ist. Die L\xe4nge des Experimentalresonators wird mit diesem Laser nach dem Pound-Drever-Hall-Verfahren konstant gehalten.\n\nUm die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld so weit zu erh\xf6hen, da\xdf sie zum bestimmenden Faktor f\xfcr die Dynamik des Systems wird (starke Kopplung), mu\xdf der Abstand der Spiegel verringert werden. Allerdings haben experimentelle Untersuchungen und begleitende Berechnungen des Einflusses der dielektrischen Spiegelsubstrate auf das Speicherfeld der Falle mit einem Finite-Elemente-Programm gezeigt, da\xdf sich eine Resonatorl\xe4nge unter 6 mm, und damit starke Kopplung, nur mit Hilfe eines miniaturisierten Aufbaus der Falle realisieren l\xe4\xdft.\n\nDie im Experiment verwendete lineare Falle erlaubt es, auch mehrere Ionen mit dem Resonatorfeld wechselwirken zu lassen und auf diese Weise mehr als ein Photon pro Pumppuls zu emittieren. Dies wurde in der Arbeit mit zwei Ionen im Resonator untersucht. Dabei wurde die Kreuzkorrelation der emittierten Photonen nach dem Verfahren von Hanbury Brown-Twiss gemessen. Anders als bei einer Einzelphotonenquelle treten bei zwei Ionen im Resonator Photonenkoinzidenzen auf, aus denen sich R\xfcckschl\xfcsse auf die Dynamik der Ionen ziehen lassen. Eine m\xf6gliche Anwendung der Speicherung mehrerer Teilchen ist die Verschr\xe4nkung von Ionenpaaren im Resonator.