Rydberg excitation of trapped ions

Abstract

In this thesis I describe the excitation of trapped 40Ca+ ions to Rydberg states. For the first time, the excellent experimental control over single ions in Paul traps has been combined with the unique features of highly excited Rydberg states, establishing a novel platform for experimental quantum computing and quantum simulation. Due to the doubly charged core, and the correspondingly increased binding energy, Rydberg excitation of ions requires vacuum ultraviolet (VUV) light for single-photon excitation or multi-photon excitation with ultraviolet (UV) radiation. For the experimental work presented in this thesis, we have chosen single-photon excitation with VUV radiation near 122nm wavelength. We have designed and built an ion trap apparatus consisting of an ultra high vacuum setup, laser sources with wavelengths in the visible and infrared spectrum, control electronics and a Paul trap and joined it with a preexisting source for continuous wave, coherent VUV radiation near 122nm wavelength. Characterization measurements of the joined apparatus have been performed. Particularly important is the characterization of the VUV beam inside the ion trap, the compensation of residual electric fields at the ion crystal and the effects of the highly energetic VUV photons on ion trap operation. With the joined system we have successfully demonstrated photo-ionization of trapped and cold 40Ca+ ions.

After the presentation of this preparatory work, I describe the excitation of trapped 40Ca+ ions to Rydberg states. From the initial metastable 3D states, we have excited ions to the Rydberg states 22F, 52F, 53F and 66F with light at wavelengths near 123 nm and 122 nm. Excitation wavelengths have been measured as 123.256 119(5) nm (3D5/2 → 22F), 122.041 913(5) nm (3D3/2 → 52F), 122.032 384(10) nm (3D3/2 → 53F) and 122.040 50(5) nm (3D5/2 → 66F). From these wavelengths, principle quantum numbers, quantum defect and consequently the angular momentum state of the excited states have been determined. We investigated the line shapes of the transitions to the highly sensitive Rydberg states in the oscillating potential of the Paul trap. Advanced techniques like coherent state preparation of the ion in the initial 3D5/2 state and the addressed Rydberg excitation of single ions in one dimensional ion strings have been realized. The work presented in this dissertation paves the way towards Rydberg quantum logic applications with trapped ions.

In meiner Dissertation beschreibe ich die Anregung von gefangenen 40Ca+ Ionen in Rydbergzustände. Die exzellente Kontrollierbarkeit von einzelnen Ionen in Paulfallen wird so mit den einzigartigen Eigenschaften von hoch angeregten Rydbergzuständen kombiniert. Aufgrund des doppelt geladenen Atomrumpfes und der damit einhergehenden hohen Bindungsenergie wird für die Rydberganregung von Ionen Licht im vakuumultravioletten (VUV) Spektralbereich benötigt. Für die hier präsentierte, experimentelle Arbeit kam VUV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 122 nm zum Einsatz. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Experiment aufgebaut, das aus einer Vakuumkammer für Ultrahochvakuum, Lasersystemen für die Erzeugung von Lichtfeldern im sichtbaren und infraroten Spektrum, Steuerungselektronik und einer Paulfalle besteht. Dieser Aufbau wurde mit einer vorhandenen Quelle für kohärente VUV-Strahlung nahe einer Wellenlänge von 122 nm kombiniert. Charakterisierungsmessungen des kombinierten Aufbaus, insbesondere des VUV-Strahls in der Ionenfalle, der elektrischen Felder in der Paulfalle und der Auswirkungen der hochenergetischen VUV-Photonen auf den Ionenfallenbetrieb, wurden durchgeführt. Durch die Photoionisation von lasergekühlten 40Ca+ Ionen konnte die Wechselwirkung der VUV-Strahlung mit den in der Paulfalle gefangen Ionen nachgewiesen werden. Im Hauptteil der Dissertation beschreibe ich die erstmalige Anregung von gefangenen 40Ca+ Ionen in Rydbergzustände. Von den metastabilen 3D-Ausgangszuständen werden die Rydbergzustände 22F, 52F, 53F und 66F mit Licht der Wellenlängen 123 nm und 122 nm angeregt; die Anregungswellenlängen wurden zu 123.256 119(5) nm (3D5/2 → 22F), 122.041 913(5) nm (3D3/2 → 52F), 122.032 384(10) nm (3D3/2 → 53F) und 122.040 50(5) nm (3D5/2 → 66F) bestimmt. Mit Hilfe dieser Wellenlängen konnten wir die Hauptquantenzahlen, den Quantendefekt und dadurch den Bahndrehimpuls der erzeugten Rydbergzustände bestimmen. Im Weiteren wurde der Einfluss des oszillierenden Potentials der Paulfalle auf die empfindlichen Rydbergzustände untersucht. Aufbauend auf diese grundlegenden Experimente konnten wir komplexere Techniken wie die Präparation des Ausgangszustandes durch kohärenten Populationstransfer und die gezielte Rydberganregung einzelner Ionen aus einer Ionenkette realisieren. Damit legt diese experimentelle Arbeit die Grundlagen für Quanteninformationsanwendungen basierend auf Rydbergionen in Paulfallen.