Zerstörungsfreie Zustandsmessung (QND measurement)

Zerstörungsfreie Zustandsmessung
(QND measurement)
Seminar „Atom trifft Photon“
Gliederung
1) Einführung: Was ist eine QND-Messung?
2) Experimentelle Realisierung
a) Nachweis eines Photons
b) Beobachtung eines Photons
c) Zählung mehrerer Photonen
3) Zusammenfassung
Was ist eine QND-Messung?
QND: Zerstörungsfreie Zustandsmessung
Ideale projektive Messung
(1) Eindeutiges Messergebnis
(2) Wiederholte Messungen
=> QM-System darf nicht zerstört werden!
QND-Observablen
(1) Unmögliche QND- Observablen
●
●
Ort
Impuls
(2) Mögliche QND-Observablen
●
●
●
Atomarer Grundzustand
Elektronenspin
Photonenzahl
QND-Observable: Elektronenspin
(1) Eigenwerte müssen
unterscheidbar sein
(2) Wiederholte Messungen
müssen möglich sein
(3) System darf nicht
zerstört werden
Stern-Gerlach Aufbau
QND Spin Messung
●
Aber: Spin ist 'gute' QND-variable
→ QND-Messung via Mess-Teilchen möglich!
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Ziel: Messung der Photonenzahl n = |0›,|1›
●
Aufbau:
●
Cavity:
●
Mikrowellen-Photonen:
●
Lokalisierung des Feldes
●
Starke WW mit Atomen
●
Hohe Lebensdauer in C
●
Wechselwirkung mit
Rydberg-Atomen stark
Atom-Photon-Wechselwirkung
●
Mess-Teilchen: Rydberg-Atom
●
●
Rabi-Oszillation |g› <=> |e›
resonant mit C
Kohärente Superposition des
Atom-Photon-Systems:
Rabi-Oszillation
●
2π Rabi-Puls ermöglicht
Bestimmung via Flugzeit t = 2π/Ω
=> Zustand |g› erfährt Phasenverschiebung um π
Auslesen der Atomaren Phase
●
Ramsey Interferometrie:
●
Nutzung eines Referenz-Niveaus
●
|g› => |i› nicht-resonant mit C
●
R1 präpariert Superpositionszustand
Ramsey Interferometrie
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Kein Photon in C:
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Ein Photon in C:
Bloch-Kugel:
Rabi-Oszillation
●
2π Rabi-Puls ermöglicht
Bestimmung via Flugzeit t = 2π/Ω
=> Zustand |g› erfährt Phasenverschiebung um π
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Ein Photon in C:
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Zerstörungsfreie Detektion
eines Photons (1999)
●
Atom-Position:
●
Bloch-Kugel:
Messergebnisse
●
Kontrast≈ 40%
●
P(|g,0›)≈ 30%
●
P(|i,0›) ≈ 70%
●
P(|g,1›)≈ 30%
●
P(|g,1›)≈ 70%
Beobachtung eines Photons (2007)
●
●
Ähnliches R1-C-R2
Set-Up
Technische
Verbesserungen:
–
–
Höhere
Kohärenzzeit
Bessere atomare
Rate
Stark Shift
●
Übergang |g› <=> |e› nicht-resonant
●
Atom-Photon Wechselwirkung über
AC Stark Effekt:
●
Photon führt zu Phasenverschiebung Φ(n, Δ)
●
Detuning: Φ(1, Δ) - Φ(0, Δ) = π
Messergebnisse
1. Beobachtung der
Feldänderungen:
1.
Messergebnisse
2. Beobachtung des
Zerfalls eines Single
Photon Fock Zustands:
Unterscheidbarkeit zwischen
|0›- und |2›- Fock Zuständen?
QND Photon-Zählung (2007)
●
Messung von n ≥ 1 Photonen
●
Detuning: Φ(n+1, Δ) - Φ(n, Δ) = π/4 mit n ϵ [0,7]
●
Phasenverschiebung
pro Photon ergibt:
Messergebnisse
Zusammenfassung
●
Kriterien einer QND-Messung:
–
–
–
●
Prinzipielles QND Set-Up:
–
–
–
●
Der Eigenwert ist eindeutig messbar
Die Messung ist wiederholbar
Das System wird nicht zerstört
Ramsey Interferometer zur Präparation des Mess-Atom
Cavity-Feld wechselwirkt mit Mess-Atom→Phasenverschiebung
Phasenverschiebung durch Ramsey Interferometer auslesbar
Messung von |n›-Photon Zuständen möglich
=> In QND-Experimenten kontrolliert ein einzelnes
Photon den Zustand langer Atom-Sequenzen