Kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen - Tumb1.biblio.tu ...

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