Authors:	Pfister, Andreas Daniel
Title:	An Integrated Fiber-Based Cavity in a Paul Trap
Online publication date:	14-Jan-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	In dieser Promotionsarbeit wird eine segmentierte, mikrostrukturierte, lineare Paulfalle mit einem eingebauten faserbasierten Resonator entwickelt. Ziel war es, die Verschränkungsverteilung über große Entfernungen zu untersuchen. Zu Beginn wurde ein faserbasierter Resonator entwickelt, der bei einem Spiegelabstand ≤ 250 µm noch immer eine hohe Finesse F = 16000 besitzt. Diese Falle stellt ein an die Faserintegration angepasstes Design dar, welches von einer bestehenden mikrostrukturierten, segmentierten Paulfalle abgeleitet wurde. Der Resonator wird nun durch einem kompakten, monolithischen Halter in die Falle integriert. Durch die Durchkontaktierungen (VIAs) kann diese Falle Wechselspannungen mit einer Schwingungsbreite ≤ 800 V ausgesetzt werden. Dieses Resonator-Falle-System wurde erfolgreich in Betrieb genommen und charakterisiert. Die Wechselwirkung einzelner Ionen mit dem Resonatorfeld war jedoch nicht nachweisbar, vermutlich aufgrund von Aufladungen der Fasern und Spiegelflächen, die das axiale Fallenfeld stark verändern können. Die dafür benötigte Ladung wurde berechnet. Zusätzlich wurde der Aufbau auf seine Eignung zur Implementation einer Auswahl an Quantenverschlüsselungsprotokollen untersucht. Mit Hilfe von Annahmen, die experimentell realistisch sind, konnten Raten von mehr als 100 Verschränkungen pro Sekunde berechnet werden, bei einer Zustandstreue (Fidelity) für nichtlokale Bellzustände ≤ 0.95. Aus der Diskussion begrenzender Parameter kann man schließen, dass Verschränkungsraten von 750 s^-1 bei diesen Zustandstreuen mit aktueller Technologie erreichbar sind. Diese Raten sind hoch genug, um den Kohärenzverlust von Qubits in Ionenfallen auszugleichen, und ermöglichen die Erzeugung von nichtlokalen Verschränkungen mit hoher Zustandstreue. Diese Arbeit ist somit ein wichtiger Schritt in Richtung Realisierung von langreichweitiger Verschränkungsverteilung mit Hilfe von Ionenfallen. A segmented micro-structured linear Paul trap with an integrated fiber-based cavity is constructed, with the aim of investigating long-distance entanglement distribution. The fiber-based cavity was fabricated at the beginning of this thesis, in order to build a high-finesse cavity of length ≤ 250 µm, and with a finesse of up to F = 16000. The cavity is supported on a compact, monolithic holder design. The trap design has been adapted from a segmented ion trap to allow resonator integration. The chips feature vertical interconnects (VIAs) that allow for application of voltages ≤ 800 V peak-peak. The resonator-trap-system was successfully operated and characterized. However, we were not able to show the ion interacting with the cavity field, and conjecture stray charges which strongly modify the electric axial trapping potential. The strength of the charges required to create this effect is quantified. Furthermore, the setup is investigated regarding the feasibility of implementing a selection of quantum key distribution protocols. Experimentally achievable parameter assumptions lead to calculated rates of more than than 100 entanglements per second for non-local Bell state fidelities ≤ 0.95 with the existing platform. Limiting parameters are identified, and it is concluded that entanglement generation rates of 750 s^-1 at fidelities of 0.95 are within reach with current technology. These rates exceed the stationary qubit decay rate, and allow the creation of high-fidelity, non-local entanglement. This work is thus an important step towards realizing long-range entanglement distribution based on ion traps.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3597
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000032535
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	155 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen