Verschränkung mesoskopischer Systeme
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Hauptseminar Atom trifft Photon Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner Inhalt • • • • 07.07.2008 Motivation Theorie und Experiment Ausblick Zusammenfassung Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 2 Motivation Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Quantenkommunikation über große Entfernungen 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 3 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation –Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung • Ziel: Verschränkung von Atomen und Photonen • Verschränkung einfacher als mit einzelnem Atom • Herausforderungen: – Gerichtete Abstrahlung des Photons – Verschränkung Atom Photon – Verschränkung von Atomwolken 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 4 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Experiment: Aufbau 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 5 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung The above photo features an ultra cold cloud (~100uK) of 109 neutral 85Rb atoms suspended in ultra high vacuum via a magneto-optical trap. This sample of atoms is used for storage of quantum information. 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 6 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 1. Gerichtete Abstrahlung der Photonen 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 7 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Write-Puls trifft auf atomares Ensemble Laserpuls 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 8 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung | a⟩ | b⟩ | ψ ⟩ = | a1b2b3b4 ⟩ 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 9 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung | a⟩ | b⟩ | ψ ⟩ = | b1a2b3b4 ⟩ 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 10 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung | a⟩ | b⟩ | ψ ⟩ = | b1b2 a3b4 ⟩ 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 11 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung →kohärente Überlagerung aller Zustände | a⟩ | b⟩ N 1 |ψ ⟩ = | b1b2 ...ai ...bN ⟩ ∑ n i= 1 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 12 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung • Kohärente Überlagerung aller Möglichkeiten • Jedes Atom sendet Kugelwellen aus beim Übergang vom angeregten in den Grundzustand 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 13 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 1 N |ψ ⟩ = | b1b2 ...ai ...bN ⟩ ∑ n i= 1 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 14 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Kugelwellen überlagern sich konstruktiv in Beobachtungsrichtung 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 15 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 2. Verschränkung Atom Photon: Rb 85 | ψ 1 ⟩ = | a⟩ A |σ + ⟩ |↓ ⟩ |σ − ⟩ |σ − ⟩ |σ + ⟩ |↑ ⟩ | ψ 2 ⟩ = |↑ ⟩ A ⊗ | σ − ⟩ P − |↓ ⟩ A ⊗ | σ + ⟩ P | ψ 3 ⟩ = | σ + ⟩ P1 ⊗ | σ − ⟩ P 2 + | σ − ⟩ P1 ⊗ | σ + ⟩ P 2 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 16 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung • Überprüfung der Verschränkung durch Messung beider Photonen 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 17 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 18 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 3. Verschränkung der zwei Atomwolken • Photon vom Write-Puls (blau) wird von A nach B transferiert (Glasfaser) • Atomwolke B wird durch ein zusätzliches Laserfeld kontrolliert 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 19 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung A B |σ − ⟩ |σ − ⟩ |↓ ⟩ |σ + ⟩ |↓ ⟩ |↑ ⟩ |σ + ⟩ |↑ ⟩ | ψ A ⟩ = |↓ ⟩ A ⊗ |↑ ⟩ B + |↑ ⟩ A ⊗ |↓ ⟩ B 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 20 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung • A: read pulse → gerichtetes Photon (rot) • B: Kontrollfeld wieder einschalten → einzelnes gerichtetes Photon (blau) |ψ P ⟩ = | σ − ⟩ 1 ⊗ | σ + ⟩ 2 + | σ + ⟩ 1 ⊗ | σ − ⟩ 2 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner σ Z 21 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung |ψ P ⟩ = | H ⟩ 1 ⊗ | V ⟩ 2 + | V ⟩ 1 ⊗ | H ⟩ 2 Auch in σ X –Basis verschränkt. Feststellen der Verschränkung durch Messung der Photonen. 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 22 Theorie und Experiment Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 23 Ausblick Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Ein weiteres Experiment: Verschränkung durch Anregung beider Ensembles | 0⟩ |1⟩ Verschränkung der Ensembles mit Photonen wieder mittels Raman-Übergänge | ψ ⟩ = | 0a ⟩ | 0 p ⟩ + 07.07.2008 pc |1a ⟩ |1p ⟩ Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 24 Ausblick Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung Zustand des Gesamtsystems: |ψ ⟩ L ⊗ |ψ ⟩ R | ψ ⟩ LR = |1⟩ L ⊗ | 0⟩ R − | 0⟩ L ⊗ |1⟩ R 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 25 Zusammenfassung Inhalt – Motivation – Theorie und Experiment – Ausblick – Zusammenfassung • Verschränkung zweier Atomwolken möglich • Messung durch Photonen • Quantenkommunikation über große Entfernungen mit Hilfe von Atomen (Informationsspeicher) und Photonen (Informationsübermittler) 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 26 Quellen • „Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication“ Briegel, Dür, Cirac, Zoller; PRL Vol 81 No 26 p. 5932-5935 (1998, Innsbruck) • „Entanglement of a Photon and a Collective Atomic Excitation“ Matsukevich, Chanelière et al.; PRL 95, 040405 (2005, Atlanta/Georgia) • „Entanglement of Remote Atomic Qubits“ Matsukevich, Chanelière et al.; PRL 96 030405 (2006, Atlanta/Georgia) • „Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics“ Duan, Lukin, Cirac, Zoller; Nature Vol. 414 p. 413-418 (2001, Innsbruck) 07.07.2008 Atom trifft Photon: Verschränkung mesoskopischer Systeme Annika Wöhner 27
