CAVITY QED08. Juni 2011

Fabian Alt

Agenda

Motivation

Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell

Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System

Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom

Zusammenfassung

Motivation: Fundamentales System

WW einzelnes Atomund eine Mode des EM-Feldes

Anwendungen in Quantum Information Science

Licht-Materie-Wechselwirkung an fundamentalem SystemMotivation

Einführung

Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell

Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System

Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom

Zusammenfassung

Theoretischer Hintergrund

Energiespektrum ħωa und ħωc

Zerfallsraten γ und κ

Kopplungsfaktor g proportionalzum Dipolmatrixelement dge

Starke Kopplung: g >> γ, κ

Jaynes-Cummings-ModellTheoretischer Hintergrund

Starke Kopplung: g >> γ, κJaynes-Cummings-Model (rotating wave approximation)

Kommmutatorrelationen

und

Jaynes-Cummings-ModellTheoretischer Hintergrund

Aus HΨ = EΨ lassen sich die Energieniveaus des Systems errechnen

Energieaufspaltung im Jaynes Cummings ModellTheoretischer Hintergrund

Eigenenergien:

Energieaufspaltung im Jaynes Cummings ModellTheoretischer Hintergrund

Eigenenergien:

Experiment I

Einführung

Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell

Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System

Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom

Zusammenfassung

Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-SystemExperiment I

P. Maunz et al. (MPQ), Phys. Rev. Lett., 2005

Vakuum-Rabi-Aufspaltung sollte messbar sein

Experimenteller AufbauExperiment I

Schema des Experiments:

Experimenteller AufbauExperiment I

Schema des Experiments: Stehende Welle im Resonator:

Experimenteller AufbauExperiment I

Schema des Experiments: Stehende Welle im Resonator:

Experimenteller AufbauExperiment I

Schema des Experiments:

Transmissionsmessung:

Fangen des AtomsExperiment I

Detektion eines Atoms: 780nm – resonant 312 Maxima

Fallentiefe erhöhen

Fangen in Dipolfalle: 785nm - rotverstimmt 310 Maxima

Ein Atom wird in der Mitte des Resonators gefangen

Atomarer Übergang in RubidiumExperiment I

D2-Linie in 85Rb (F=3 zu F=4) σ+ polarisiertes Licht (mf=3 zu mf=4)

effektives Zwei-Niveau-System

Kühlen des Atoms – Cavity CoolingExperiment I

Stark-Shift vergrößertEnergieaufspaltung im Atom

Kühl- und Messintervalle

500μs Kühlen 100μs Messen

ωa

ErgebnisseExperiment I

Vakuum-Rabi Aufspaltung bei Transmissionsmessung eindeutig sichtbar:

ErgebnisseExperiment I

Höhe der Peaks abhängig von Detuning Δa

Stark-Shift verändert Δa = ωc – ωa = 2π × 35MHz

ωa

ωc

Experiment II

Einführung

Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell

Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System

Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom

Zusammenfassung

Photon Blockade with one trapped atomExperiment II

Birnbaum et al. (Caltech), Nature, 2005

Vakuum-Rabi Aufspaltung

Photon Blockade with one trapped atomExperiment II

Birnbaum et al. (Caltech), Nature, 2005

Vakuum-Rabi Aufspaltung

Übergang in Cäsium (F=4 F‘=5) mit linear polarisiertem Licht

Experimenteller AufbauExperiment II

ErgebnisExperiment II

Paarkorrelationsfunktion zeigt klares Anti-Bunching der Photonen

ErgebnisExperiment II

Oszillation des Atoms führt zu Schwankungen in Transmission

Zusammenfassung

Einführung

Theoretischer Hintergrund – Jaynes-Cummings-Modell

Experiment I – Normal Mode Spectroscopy of Atom-Cavity-System

Experiment II – Photon Blockade with one trapped atom

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Cavity-QED: ein Atom mit einer Mode des EM Feldes

Jaynes-Cummings Modell Eigenenergien

Erstes Dublett: Vakuum-Rabi Aufspaltung

Energiespektrum mit Cavity QED messbar

Mögliche Anwendungen in Quantum Information