Rydberg Ions in Motion
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Abstract
Kalte, kontrollierte Atome und Ionen sind derzeit von großem Interesse für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung, -simulation und -sensorik. Die Anregung
von gefangenen Ionen in Rydberg-Zustände bietet eine einzigartige Möglichkeit, die
Vorteile von präzise kontrollierbaren gefangenen Ionen mit weitreichenden, verstimmbaren Rydberg-Wechselwirkungen zu kombinieren. Die intrinsisch große Polarisierbarkeit von Rydberg-Zuständen fuhrt zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern und folglich zu unterschiedlichen Fallenfrequenzen im Vergleich zu elektronisch niedrig angeregten Zuständen. Ich untersuche die Polarisierbarkeiten experimentell an einzelnen 40Ca+-Ionen und Ionenkristallen in einer linearen Paul-Falle. Energieverschiebungen durch Besetzung des harmonischen Oszillators werden in einem Linienmodell für das Rydberg-Anregungsspektrum betrachtet und erlauben eine Diskussion von Übergangsverschiebungen und Verbreiterungen als Funktion der Hauptquantenzahl zwischen n ∈ [38, 65], Phononenverteilungen und Feldgradienten.
Durch Anlegen eines externen Hochfrequenzfeldes werden kohärente Bewegungszustände mit |α| < 11 und durchschnittlichen Phononenzahlen ˜k < 121 angeregt, und die resultierende Verschiebung der Übergangsfrequenz ermöglicht die Extraktion der Polarisierbarkeiten für die Rydberg-Zustände 49S1/2, 53S1/2 und 57S1/2
in voller Übereinstimmung mit der Literatur. Ähnlich können kohärente Bewegungszustände in einem Zwei-Ionen-Kristall zur Erzeugung von Verschränkung genutzt werden, da die akkumulierte Phase abhängig vom Einschluss in der Paul-Falle ist. Hier wird eine Verschränkungsoperation vorgeschlagen, bei welcher der Ionenkristall für 1.8 µs mit einem externen Feld von 29 V/m verschoben wird - erreichbar in aktuellen Ionenfallen - wobei die Dauer durch optimierte Feldpulse und zusätzliche Auslenkungen
verringert werden kann. Außerdem schlage ich vor, die abstandsabhängige Van-der-Waals-Wechselwirkung von Rydberg-Ionen zu beobachten, welche die Anregungsenergie von zwei angrenzenden Ionen im Vergleich zu zwei getrennten Ionen verschiebt.
Für Ionenkristalle bei endlicher Temperatur untersuche ich positionsabhängige Rabi-Frequenzen und Kopplung an die Oszillatorbewegungen, die zu einer Verbreiterung der
Übergangsspektren und einer Verringerung der Nachweisempfindlichkeit für Van-der-Waals-Kräfte fuhren. Das übergreifende Ziel ist es, Rydberg-Anregung in die Quanteninformationsverarbeitung mit gefangen Ionen aufzunehmen.