Für die Quanteninformationsverarbeitung werden nahezu relaxationsfreie Zwei-Niveau Systeme (Quantenbits) und eine bedingte Dynamik jedes Quantenbits mit einem oder mehreren Quantenbits benötigt. Dies läßt sich mit einzelnen im elektrodynamischen Wechselfeld einer Paulfalle lokalisierten Barium-Ionen erreichen. Das metastabile Niveau 52D5/2 mit einer Lebensdauer von 34,5 s eines 138Ba+-Ions gemeinsam mit dem elektronischen Grundzustand erfüllen die Voraussetzungen für ein Quantenbit. Die Schwingungszustände der Ionen in der Paulfalle, die sogenannten Bus-Quantenbits lassen sich für eine bedingte Dynamik zwischen zwei oder mehreren Ionen nutzen.
Ein Ziel dieser Arbeit ist der Nachweis einer kohärenten Anregung des elektrischen Quadrupolübergangs S1/2-D5/2. Damit wird es möglich die unitäre Entwicklung des Quantenbits zu kontrollieren, also ein Ein-Qubit Gatter zu implementieren. Gleichzeitig ist dies die Voraussetzung für die Präparation beliebiger Überlagerungszustände des Quantenbits.
Ein einzelnes Barium-Ion wird in einer miniaturisierten ringförmigen Paulfalle lokalisiert. Der Fallen-Aufbau befindet sich in einem Hochvakuum (<10-9mbar) um die Relaxationrate des 52D5/2-Niveaus durch Stöße mit Gasmolekülen zu minimieren. Die Besetzung der elektronischen Zustände 62S1/2 und 52D5/2 kann mit hoher Effizienz mittels der Resonanzfluoreszenz des angeregten S1/2-P1/2-Übergangs bestimmt werden. Die Anregung des S1/2-D5/2-Übergangs erfolgt mit einem optisch parametrischen Oszillator mit einer Emissionswellenlänge bei 1762 nm. Dessen Emissionsbandbreite konnte mit einer Regelung auf 4·2 π kHz reduziert werden. Dazu wird das Fehlersignal mittels Spektroskopie eines Hochfiness-Resonators gewonnen und ein akusto-optischer Modulator dient als Stellelement.
Erste Voruntersuchungen zu den Schwingungszuständen wurden durch die Aufnahme und Analyse von Absorptions- und Emissionsspektren der Bewegungsseitenbänder der E2-Resonanz gemacht. Aus diesen Spektren können die Resonanzfrequenzen (Säkularfrequenzen) der Schwingung im harmonischen Potential der Falle bestimmt werden und Rückschlüsse auf die Temperatur des Ions sowie die Heizprozesse durch die Paulfalle gezogen werden. Die Säkularfrequenzen der Schwingung in radialer und axialer Richtung der Falle lassen sich spektroskopisch auflösen. Dies ermöglicht die Implementierung von zwei Bus-Quantenbits. Die energetische Aufspaltung der Säkularfrequenzen läßt sich durch die Amplitude des Wechselfeldes der Paulfalle ändern.
Anhand der optischen Nutation mit einer Rabifrequenz von 70·2π kHz konnte die kohärente Anregung des S1/2-D5/2-Übergangs demonstriert werden. Die Kohärenzzeit ist 100 µs und durch Frequenzfluktuationen des anregenden Lichtfeldes begrenzt.
For quantum information processing you need relaxation free two level systems (quantum bits) and each quantum-bit having a dynamic depending on the state of a second quantum bit. This can be achieved with barium ions localised in the electro-dynamic field of a Paul-trap. The metastable level 52D5/2 with a lifetime of 34.5 s together with the electronic ground-level 62S1/2 match the requirements for a quantum bit. The movement of the ions in the Paul-trap leads to vibrational modes. The vibrational states can be used for conditional dynamics of the inner states of two ions and are therefor called bus-quantum-bits.
The aim of this thesis is to demonstrate the coherent excitation of the E2-transition S1/2-D5/2. Thus having the control over the unitarian evolution of a quantum bit. It is as well of need for the preparation of any superposition of the quantum-bit.
A single barium-ion is localised in a miniature Paul-trap. The apparatus is installed in a vacuum chamber (<10-9mbar) to prevent relaxation processes by impact with gaseous molecules. By detecting the fluorescence of the excited S1/2-P1/2 transition the state of the quantum-bit is measured with high efficency. An optic parametric oscillator is used to excite the S1/2-D5/2-transition at a wavelength of 1762 nm. Using a stabilisation technique the emission bandwidth is reduced to 4·2 π kHz. The spectroscopy of a high finesse resonator generates the error signal and a acusto-optic modulator is the actuating element.
Absorption and emission spectra of the motional sideband of the E2-transition are measured and analysed in order to study the vibration states. The resonance frequency of the ion's motion (secular frequency) could be determined and the ion's temperature and heating processes being investigated. The secular motion along the radial and longitudinal axes were spectroscopically resolved and thus tho bus-quantum bis may be implemented. The energetic splitting of the secular frequencies can be changed by the amplitude of the electrodynamic field of the Paul-trap.
Measurements of the optical nutation with a frequency of 70·2π kHz demonstrates the coherent excitation of the S1/2-D5/2-transition. The coherence time is 100 µs and limited by fluctuations of driving light field's frequency.