Kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen - Tumb1.biblio.tu ...
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2 Kapitel 1. Einlei<strong>tu</strong>ng<br />
Durch diese Anwendungen und Visionen stimuliert arbeiten derzeit viele Arbeitsgruppen<br />
an der Realisierung deterministischer Einzelphotonenquellen. Bis vor wenigen Jahren waren<br />
nur konditionierte Einzelphotonenquellen verfügbar. Bei Prozessen, die <strong>Photonen</strong>paare erzeugen,<br />
wie z.B. die „parametric downconversion“ in nichtlinearen optischen Kristallen [9, 10, 11],<br />
werden wegen der Impulserhal<strong>tu</strong>ng zwei <strong>Photonen</strong> in verschiedenen Moden erzeugt. Wird ein<br />
Photon in der einen Mode detektiert, so befindet sich in der anderen Mode sicher das zweite<br />
Photon. Da ein solches <strong>Photonen</strong>paar spontan entsteht, ist der Zeitpunkt der <strong>Photonen</strong>erzeugung<br />
nicht vorherbestimmt. Viele gleichzeitige <strong>Photonen</strong>, wie sie für einen photonischen<br />
Quantencomputer nach dem KLM-Prinzip benötigt werden, lassen sich daher mit konditionierten<br />
<strong>Photonen</strong>quellen nicht erzeugen, sondern erfordern deterministische Quellen.<br />
Alle deterministischen Einzelphotonenquellen verbindet die gepulste Anregung eines einzelnes<br />
Quantensystems, das daraufhin seine Anregungsenergie als einzelnes Photon abstrahlt.<br />
Da die verschiedenen Applikationen unterschiedliche Anforderungen an die Einzelphotonenquellen<br />
stellen, wird an einer Vielzahl verschiedener Systeme geforscht. Diese unterscheiden<br />
sich in der Na<strong>tu</strong>r des Quantensystems und des Anregungsmechanismus. Als Quantensysteme<br />
werden Quanten-Tröge [12], Quantenpunkte [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19], Farbzentren [20, 21,<br />
22, 23], Moleküle [24, 25, 26, 27] und – entsprechend der vorliegenden Arbeit – auch Atome<br />
[28, 29, 30, 31, 32] verwendet.<br />
Um diese Systeme für Quantencomputer und -netzwerke verwenden zu können, müssen hohe<br />
Anforderungen erfüllt werden. Man benötigt gerichtete, ununterscheidbare Einzelphotonen<br />
hoher Effizienz. Bisher wurden 3 Möglichkeiten vorgeschlagen, solche <strong>Photonen</strong> zu erzeugen:<br />
1. Die erhöhte spontane Emission innerhalb eines Resonators, bei der das Quantensystem<br />
vornehmlich in die einzelne Mode des Resonators emittiert [33],<br />
2. die kohärente Kontrolle eines durch das Vakuumfeld eines Resonators stimulierten Ramanprozesses<br />
mittels einer adiabatische Passage [34, 35, 36, 37],<br />
3. sowie die Unterdrückung der spontanen Emission in andere Rich<strong>tu</strong>ngen durch photonische<br />
Kristalle, die gerade bei der Frequenz des emittierten Lichtes eine Bandlücke aufweisen,<br />
so dass sich das Licht in diese Rich<strong>tu</strong>ng nicht ausbreiten kann [38, 39, 40].<br />
Zwei der Vorschläge wurden bisher verwirklicht. Die erste, die erhöhte spontane Emission,<br />
wurde mit einzelnen Quantenpunkten demonstriert [15, 19]. Der zweite Vorschlag, die adiabatischen<br />
Passage, konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit für einzelne Atome innerhalb eines<br />
optischen Resonators realisiert werden [29].<br />
Der größte Vorteil der adiabatischen Passage gegenüber den anderen diskutierten Methoden<br />
besteht darin, dass grundsätzlich die Eigenschaften des Photons während der <strong>Erzeugung</strong><br />
kontrolliert werden können. Einerseits erlaubt es der verwendete Ramanprozess, die Mittenfrequenz<br />
des emittierten Photons einzustellen. Andererseits kann über den auslösenden Laserpuls<br />
nicht nur der genaue Zeitpunkt der <strong>Photonen</strong>emission, sondern sogar die Geschwindigkeit der<br />
adiabatischen Passage und damit die raumzeitliche Form des <strong>Photonen</strong>wellenpakets bestimmt<br />
werden. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass verschiedene Emitter identische <strong>Photonen</strong> emittieren.<br />
Ziel dieser Arbeit war, die Wirkungsweise der adiabatischen Einzelphotonenerzeugung zu<br />
demonstrieren. Um das Experiment möglichst einfach zu halten wurde ein schwacher Atomstrahl<br />
verwendet, bei dem jedoch die Experimentierdauer auf den Durchflug <strong>einzelner</strong> Atome