Michael Johanning

Forschungsinteressen

Ein Ensemble lasergekühlter Ionen ist ein hervorragendes System zur Untersuchung quantenmechanischer Fragestellungen und wurde schon erfolgreich zur Demonstration verschränkter Systeme, Quantengatter und Quantenalgorithmen genutzt. Dabei wurden zur Manipulation der internen Zustände auf einzelne Ionen fokussiertes extrem schmalbandige Laserlicht verwendet und die gemeinsame Schwingungsmode der Ionenkette für bedingte Logik genutzt.

Das in dieser Arbeitsgruppe verfolgte Konzept ist es hingegen, Zeemanzustände des hyperfeinaufgespaltenen elektronischen Grundzustands zur Speicherung der Quanteninformation zu nutzen. Diese haben außerordentlich lange Lebensdauern und lassen sich darüberhinaus mit vergleichsweise geringem Aufwand mithilfe von Mikrowellen manipulieren. Auch die Anforderungen an den Kühlung der Ionenkette sind hier deutlichg reduziert. Eine Adressierung durch auf einzelne Ionen fokussierte Felder ist in diesem Fall aufgrund der viel größeren Wellenlänge jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Wird allerdings ein entlang der Ionenkette inhomogenes Magnetfeld angelegt, nehmen dadurch die Zeemanaufspaltungen und Übergangsfrequenzen für jedes Ion andere Werte an und eine Adressierung im Frequenzraum wird ermöglicht.

Auch zur Realisation einer bedingter Gatter-Operationen kann man sich des Magnetfeldgradienten bedienen. Denn anders als bei der Manipulation mit Licht reicht hier der Photonenimpuls nicht aus, um die Schwingungsmode der Ionenkette anzuregen. Der Gradient führt jedoch zu einer Zustandsabhängigkeit der Gleichgewichtspositionen und imitiert daher einen vergrößerten Impulsübertrag auf die Schwerpunktsbewegung der Ionenkette.

Beide Konzepte konnten in ersten Messungen an einer makroskopischen linearen Paulfalle demonstriert werden. Die erzielbaren Gradienten waren aufgrund der Versuchsanordnung jedoch begrenzt und für eine weitergehende Nutzung des Konzepts zu klein. Daher bauen wir zur Zeit eine mikrostrukturierte lineare Paulfalle auf. Diese Apparatur ist insofern einzigartig, als dass sie über eine integrierte Anti-Helmholtz-Spulenpaar verfügt, von welcher große Magnetfeldgradienten bis zu 100 T/m auch entlang einer ausgedehnten Ionenkette erwartet werden können.

Das so erhaltene System verbindet in gewisser Weise die Vorteile der Kernspinresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) und von lasergekühlten Ionen ohne gleichzeitig die Nachteile beider Ansätze zu übernehmen. So basieren NMR-Systeme auf Ensemblemessungen, und ermöglichten so die erstmalige Demonstration des Shor-Algorithmus; eine Skalierung zu längeren Spinketten ist mit diesem Ansatz jedoch ausgeschlossen. In zur NMR-Technik gleicher Weise wird die Adressierung und Kopplung der Ionen im Magnetfeldgradienten über einen Spin-Spin-Kopplungs-Hamiltonian beschrieben. Die Manipulation und Zustandsbestimmung findet jedoch an einem einzelnen, von der Umgebung isolierten Quantensystem statt.

Unser Experiment wird, so hoffen wir, die Erzeugung langer Ketten lasergekühlter Ionen ermöglichen und so Aufschluss geben über Verschränkung großer Systeme und deren Dekohärenz. Es ist ein geeignetes System, um die Spin-Spin-Kopplung mit global und lokal einstellbaren Kopplungskonstanten zu realisieren. Damit eröffnet sich uns die Möglichkeit, verschiedene Quantensysteme zu simulieren und so neue Erkentnisse z. B. über Quantenphasenübergänge zu gewinnen.

Lebenslauf

1998-2003

Arbeitsgruppe Plasmaphysik, Institut für Atom- und Molekülphysik, Prof. M. Kock Universität Hannover, Deutschland Diplomarbeit: Eine lineare Paulfalle für Lebensdauermessungen an Ionen, 1998 Doktorarbeit: Einzelpulseffekte an partiell gesättigter laserinduzierter Fluoreszenz,

2003 2003

Institut für Quantenoptik, Prof W. Ertmer, Universität Hannover, Deutschland Laserkühlung und Photoassoziation von metastabilem Ne

2004-2005

NIST Atomic Physics Division Laser Cooling and Trapping Group W. D. Phillips Gaithersburg, USA Photoassoziation Na All optical Natrium BEC

2006-

Lehrstuhl Quantenoptik Prof. Chr. Wunderlich, Universität Siegen, Deutschland Mikrostrukturierte Ionenfallen für Magnetfeldgradienten

Publikationen

Individual addressing of trapped ions and coupling of motional and spin states using rf radiation M. Johanning, A. Braun, N. Timoney, V. Elman, W. Neuhauser, C. Wunderlich arXiv:0801.0078v1.

Error-resistant single-qubit gates with trapped ions Timoney N, Elman V, Glaser S, et al. PHYSICAL REVIEW A 77, p052334, 2008.

All-optical generation and photoassociative probing of sodium Bose-Einstein condensates Dumke R, Johanning M, Gomez E, et al. NEW JOURNAL OF PHYSICS 8, p64, 2006.

Sub-natural-linewidth quantum interference features observed in photoassociation of a thermal gas Dumke R, Weinstein JD, Johanning M, et al. PHYSICAL REVIEW A 72, p041801, 2005.

FeII lifetimes and transition probabilities Schnabel R, Schultz-Johanning M, Kock M ASTRONOMY & ASTROPHYSICS 414, p1169-1176, 2004.

The FERRUM Project: New f-value data for FeII and astrophysical applications Johansson S, Derkatch A, Donnelly MP, et al. PHYSICA SCRIPTA T100, p71-80, 2002 Lifetimes, branching fractions, and oscillator strengths of doubly ionized Tungsten Schultz-Johanning M, Kling R, Schnabel R, et al. PHYSICA SCRIPTA 63, p367-371, 2001. The FERRUM project: experimental lifetimes of highly excited FeII 3d(6)4p levels and transition probabilities Sikstrom CM, Schultz-Johanning M, Kock M, et al. JOURNAL OF PHYSICS B-ATOMIC MOLECULAR AND OPTICAL PHYSICS 32, p5687-5698, 1999.

A linear Paul trap for radiative lifetime measurements on ions Author(s): Schultz-Johanning M, Schnabel R, Kock M EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D 5, p341-344, 1999.

Radiative lifetimes of excited W II levels Schnabel R, Schultz-Johanning M, Kock M EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D 4, p267-269, 1998.

Lehre

(Übungen und Vorlesungsvertretung) Elektrodynamik (SS2006, SS2007)

Optik (WS 2007/2008)

Thermodynamik (SS 2008)