Kurzfassung
Die moderne Quanten-Experimentalphysik hat in den vergangenen Jahrzehnten große
Fortschritte gemacht. Die vielfältigen Möglichkeiten Quantensysteme zu manipulieren,
kombiniert mit modernsten, experimentellen Techniken motivierten das Forschungsfeld
der hybriden Quantensysteme. Hybride Quantensysteme kombinieren verschiedene
Subsysteme mit dem Ziel deren jeweilige Vorteile zu vereinen.
In dieser Arbeit präsentieren wir die neuesten Ergebnisse unseres Experimentes, dessen
Ziel die Realisierung starker Kopplung zwischen einem mikromechanischen Si4N3
Trampolin-Resonator und lasergekühlten 87Rb Atomen ist. Die Kopplung wird über ein
kohärentes Lichtfeld vermittelt, das vom Resonator reflektiert wird und ein optisches
1D-Gitterpotential bei den Atomen bildet.
Aufgrund optischer Verluste auf dem Strahlweg wird das Kopplungsgitter asymmetrisch
gepumpt. Diese Pump-Asymmetrie führt zur Entstehung atomarer Dichtewellen
im Gitter, die einen destruktiven Effekt auf die hybride Kopplung in attraktiven Gitterpotenzialen
haben. Wir haben dieses Phänomen in einer numerischen Simulation
modelliert und herausgefunden, dass die hybride Instabilität durch einen zusätzlichen
Kompensationsstrahl unterdrückt werden kann. Infolgedessen haben wir ein Pump-
Asymmetrie kompensiertes Gitter implementiert. Dies erlaubte uns im vormals nicht
zugänglichen Regime attraktiver Gitterpotentiale zu arbeiten und eine Kooperativität
von C_hybrid = (100 ± 25) zwischen beiden Systemen zu erreichen.
Um die Kopplungsstärke zu erhöhen, haben wir erfolgreich eine neue Faser-Cavity mit
einer Finesse von F = 785 im System eingebaut. In dieser Konfiguration war es möglich
eine maximale Kooperativität von C_hybrid = (5900 ± 1300) zu erreichen. Des Weiteren
konnten wir, in guter Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, experimentell
nachweisen, dass eine weitere Erhöhung der Finesse auf F = 14500 zu keiner weiteren
Verbesserung der Kopplungsstärke führt.
Zusätzlich präsentieren wir eine Methode zur „rückwirkungsfreien“ Messung des Resonatorzustandes,
die eine vollständige Zustandstomographie im Phasenraum ermöglicht.
In diesen Messungen findet die Lichtfeld-ResonatorWechselwirkung auf Zeitskalen statt
die viel kürzer sind, als eine Oszillationsperiode des Resonators. Dies erlaubt die Vermessung
des Zustandes mit einer Auflösung unterhalb des Standard-Quanten-Limits.
Um den Grundzustand des Resonators aufzulösen, haben wir eine notwendige Finesse
von F = 14500 errechnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Cavities entsprechend
dieser Spezifikation gefertigt und in das Experiment implementiert. Messungen wurden
bei Finessen von F = 785 und F = 14500 durchgeführt. Während das System den
Resonatorzustand bei der niedrigeren Finesse mit einer Präzision der 16-fachen Grundzustandsbreite
auflösen konnte, zeigten die ersten Experimente mit der Hochfinesse-
Cavity, dass weitere experimentelle Verbesserungen notwendig sind, um aussagekräftige
Ergebnisse zu erhalten.
Modern experimental quantum physics experienced a rapid development in the past decades. The high degree of control and state of the art experimental techniques motivated the research field of hybrid quantum systems. Hybrid quantum systems combine different hybrid partners that can acquire quantum properties on their own to exploit their individual advantages. Here we report on the latest results at our experiment that aims to realize strong hybrid coupling between a micromechanical Si4N3 trampoline resonator and laser-cooled 87Rb atoms. The coupling is mediated via a coherent light field that is reflected from the resonator and forms an optical 1D lattice potential for the atoms. Due to optical losses on the beam path, the coupling lattice is asymmetrically pumped. This leads to the emergence of atomic density waves in the lattice which has a detrimental effect on the coupling for attractive lattice potentials. We numerically simulated this phenomenon and found that introducing an additional pump-asymmetry-compensation beam can remove the asymmetry-induced instability. As a result we implemented a compensation lattice which allowed us to operate in the previously inaccessible regime of attractive coupling lattice potentials where we reached a maximal cooperativity C_hybrid = (100 ± 25) at room temperature. In a parallel endeavor we successfully implemented a new fiber cavity with F = 785 to significantly improve the coupling between atoms and the mechanical resonator. In this configuration we reached a maximal cooperativity of C_hybrid = (5900 ± 1300) at room temperature. Furthermore we show experimentally that increasing the finesse of the cavity even further to F = 14500 does not improve the coupling strength in good agreement with theoretical predictions such that further improvements by tuning the finesse are not feasible. Lastly we realized a quantum-non-demolition measurement technique to perform rapid state tomography of a mechanical resonator. Here the interaction between the resonator and the light field takes place on time scales much smaller than the mechanical oscillation period, which allows for back-action evading measurements of the resonator state with sub-standard-quantum-limit resolution. We calculated a finesse of F = 14500 to resolve the resonator ground state and manufactured as well as implemented a corresponding new fiber cavity into the experimental setup. We conducted pulsed measurements with cavities of F = 785 and F = 14500. While the medium finesse configuration allowed to resolve the resonator state with an imprecision of 16 zero-point motions, the first experiments using the high finesse configuration suggest that further experimental modifications are necessary to acquire meaningful results.