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Lehrstuhl Experimentelle Quantenoptik

Willkommen auf der Webseite des Lehrstuhls Experimentelle Quantenoptik von Prof. Dr. Ch. Wunderlich an der Universität Siegen.

Unsere experimentellen und theoretischen Arbeiten konzentrieren sich rund um die Entwicklung und Untersuchung neuer Schemata zur Quanteninformationsverarbeitung mit individuell manipulierbaren Atomen und offenen fundamentalen Fragestellungen der Quantenphysik.

Aktuelles

Start des Pilotprojekts optIclock

01.05.2017

Zum 1. Mai 2017 startete das erste Pilotprojekt Optische Einzelionenuhr für Anwender (optIclock) der QUTEGA Initiative des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Innerhalb von drei Jahren ist es unser Ziel im Verbund mit Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, der Universität Bonn und des Ferdinand-Braun-Institut Berlin sowie den Industriepartnern der High Finesse GmbH, der Menlo Systems GmbH, der QUARTIQ GmbH, der Qubig GmbH, der TOPTICA Photonics AG und der Vacom GmbH, einen Demonstrator für eine optische Einzelionenuhr zu realisieren. Die optIclock (optical Ion clock) soll mit einer Genauigkeit im Bereich von 10-15 bis 10-17 besser als jeder kommerzielle Frequenzstandard und im Gegensatz zu aktuellen Laborlösungen in Forschungseinrichtungen transportabel, einfach bedienbar und damit für Anwender einsetzbar sein. In der optIclock wird ein einzelnes geladenes Atom in einer elektrodynamischen Falle im Ultrahochvakuum gefangen und mit Lasern auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt abgekühlt. Ein sogenannter Uhrenlaser, wird dann zur hochpräzisen Frequenzbestimmung auf einen optischen Übergang dieses Atoms geregelt. Die Anwendertauglichkeit als besonderer Gegenstand dieses Pilotprojektes wird durch Miniaturisierung, Automation und Integration der einzelnen Komponenten sowie durch eine umfassende Gesamtsystemarchitektur ermöglicht werden.

Blaupause für einen Quantencomputer

01.02.2017

Der vielversprechenste Ansatz zum Bau eines großformatigen Quantencomputers ist die modulare Konstruktion aus einzelnen, eigenständigen Einheiten. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Sussex (UK), Google (USA), der Aarhus Universitet (Dänemark) und RIKEN (Japan), haben wir eine Blaupause für ein skalierbares Modul eines solchen Quantencomputers basierend auf gespeicherten Ionen und Mikrowellenstrahlung vorgestellt. Diese Modul ist die Basiseinheit für den Bau einer Quantencomputernarchitektur beliebiger Größe. Jedes Modul steuert alle auf ihm ablaufenden Operationen als eigenständige Einheit und seine Herstellung basiert auf Fertigungsprozessen der Halbleiterindustrie die im Rahmen heutiger Technologien erreichbar sind. Die Ausführung der Quantenrechnung mittels Mikrowellen-Gattern benötigt lediglich globale Laser- und Mikrowellenfelder und eine Standard-Vakuumumgebung. Die Skalierung dieser Mikrowellen-Quantencomputer-Architektur über ein Modul hinaus erfolgt dann durch die Verbindung beliebig vieler, identischer Module zu einem großformatigen Quantencomputer.

Analoge Quantensimulation einer Gitter-Eichtheorie mit gespeicherten Ionen

16.09.2016

Die Aussicht Quantensimulationen von Gitter-Eichtheorien durchführen zu können, eröffnet spannende Möglichkeiten unser Verständnis fundamentaler Materieformen zu erweitern. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Innsbruck (Österreich) haben wir nun gezeigt, dass gespeicherte Ionen unter Ausnutzung ihre internen Pseudo-Spins und externen Schwingungsquanten eine vielversprechende Plattform für solche Simulationen darstellen. Unsere Ideen haben wir anhand zweier komplementärer Konzepte zur Simulation von Gitter-regularisierter Quantenelektrodynamik (QED) in (1+1) Raum-Zeit Dimensionen veranschaulicht. In beiden Fällen arbeitet die Simulation auf Energieskalen signifikant über den typischen Dekohärenzraten experimenteller Aufbauten, so dass Untersuchungen von Phänomenen wie “string breaking”, “Coleman's quantum phase transition” und “false-vacuum decay” möglich werden. Die grundlegenden Ideen der hier vorgestellten analogen Simulationen könnten sich ebenfalls auf anderen Plattformen, wie zum Beispiel supraleitenden Qubits, adaptieren lassen.

Kohärente Quanten-Fouriertransformation mit einem vielseitigen Mikrowellen-Spin-System

08.07.2016

Mittels gespeicherter Ionen haben wie ein maßgeschneidertes, vielseitiges System effektiver Spins demonstriert, dass sowohl für Quantensimulationen als auch als universeller Quantencomputer geeignet ist. Die effektiven Größen und Vorzeichen aller paarweisen Spin-Spin Kopplungen lassen sich hierbei allein durch Steuerung von Mikrowellenstrahlung einstellen. Dies kann nicht nur global sondern auch zur Laufzeit eines Quantenalgorithmus geschehen. Einzelne Spins können von der gleichzeitig durchgeführten, bedingten Quantendynamik des Systems ausgenommen werden und stehen so als Quantenspeicher zur Verfügung. Unter Ausnutzung der simultanen langreichweitigen Kopplungen haben wir mit einem solchen System aus drei Spins eine kohärente Quanten-Fouriertransformation realisiert - einen essentiellen Baustein vieler komplexer Quantenalgorithmen. Dieser Ansatz, allein Mikrowellensteuerung zur Spin-Manipulation einzusetzen, eröffnet eine neue Perspektive um technische und physikalische Herausforderungen bei der Realisierung größerer Quantensimulatoren und Qunatencomputer zu meistern.

Ultrasensitives Einzel-Atom Magnetometer

16.06.2016

Präzisionssensorik, insbesondere hochpräzise Magnetometrie, ist eines der zentralen Forschungsziele im Bereich der Quantentechnologie. Gerade im Bereich der Magnetfeldsensoren muss oftmals ein Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, räumlicher Auflösung und detektierbarem Frequenzbereich gefunden werden. In einer Kollaboration mit theoretischen Physikern der Universität für Wissenschaft und Technik Zentralchina (HUST, China), der Hebräischen Universität von Jerusalem (Israel) und der Universität Ulm haben wir nun Schema zur dynamischen Entkopplung adaptiert, dass die Phasenkohärenz unseres Sensors um mehrere Größenordnungen verbessert und dieses mit einem Protokoll zur Magnetfeldmessung kombiniert. Dies ermöglicht uns eine Messempfindlichkeit nahe des Standard-Quantenlimit, die auch im Hochfrequenzbereich erhalten bleibt. Unser Sensor ist hierbei ein einzelnes, atomares Ion. In unseren Experimenten erreichten wir eine Empfindlichkeit von 4.6 pT/√Hz bei der Vermessung eines mit etwa 14 MHz oszillierenden Magnetfeldes. Diese beispiellose Empfindlichkeit, zusammen mit der, durch ein einzelnes Atom gegebenen, Ortsauflösung im Nanometerbereich und der Möglichkeit die detektierbare Frequenz von 0 Hz bis in den Gigahertzbereich einzustellen, könnte unter anderem in magnetischen Bildgebungsverfahren in bisher unerreichbaren Parameterregimen zur Anwendung finden.

Ionenkristalle mit uniformem Ion-Ion Abstand

23.03.2016

Eindimensionale Ionenkristalle mit einem uniformen Ion-Ion Abstand stellen eine interessante Alternative zu harmonisch gespeicherten Ionenkristallen dar, in denen die einzelnen Ionen unterschiedliche Abstände aufweisen. Wir haben eine Beschreibung der statischen und dynamischen Eigenschaften von solchen eindimensionalen Ionenkristallen erarbeitet. Diese spezifische Ionenanordnung wird durch ein glattes, anharmonisches, effektives Potential erreicht, das entweder durch entsprechende Spannungskonfigurationen einer normalen segmentierten Ionenfalle oder die spezielle Ausformung der Fallengeometrie erzeugt wird. Unsere Beschreibung liefert analytische Ausdrücke für das benötigte elektrische Feld, das elektrische Potential und die Normalmoden-Matrix. Desweiteren zeigt sich, das solche Ionenkristalle auch bei endlicher Größe sehr gut die kritische radiale Bindungsstärke eines unendlichen Systems im Übergang einer linearen zu einer Zickzack Konfiguration reproduzieren. Ausgehend von der Normalmoden-Matrix zeigen wir, dass Kristalle mit uniformem Ion-Ion Abstand eine festkörperähnliche Bandstruktur der Normalmoden aufweisen und bestimmen die effektiven Spin-Spin Kopplungen eines solchen Kristalls in einem externen Magnetfeldgradienten. Weiter zeigen wir, wie Freiheitsgrade in Potential, Normalmoden und Kopplungen so ausgenutzt werden können, dass homogene Ionenabstände erhalten bleiben und geben numerische Beispiele für die Erzeugung eines solchen Potentials in einer segmentierten Paulfalle und für die Optimierung einer speziellen Fallengeometrie.