Forschung & Entwicklung

Frequenzkamm schaltet Qubits

07.06.2010

Ein neuer Trick ermöglicht die flexible Beeinflussung der Quanten-Bits gefangener Ionen mit modulierten optischen Frequenzkämmen statt konventionell mit aufwendig abgestimmten Laserstrahl-Paaren.

Ein Frequenzkamm ist das Spektrum äquidistanter optischer Frequenzen, die von einer Folge ultrakurzer Pulse eines modengekoppelten Lasers erzeugt werden. Der zeitliche Abstand der Pulse bestimmt den Frequenzabstand im Kamm, während die Pulsdauer die Bandbreite des Frequenzkamms festlegt. Kürzere Pulse ergeben eine größere Bandbreite. David Hayes und Coautoren vom Joint Quantum Institute der Universität von Maryland in den USA haben nun ein Verfahren vorgestellt, nach dem mit optischen Frequenzkämmen einfacher als mit einzelnen Laserwellenlängen über einen weiten Frequenzbereich Ionen-Spinzustände (Qubits) umgedreht oder mit einander verschränkt werden können.
Hierzu wurde bisher meist stimulierte Raman-Emission durch zwei phasengekoppelte Laserstrahlen verwendet, deren Frequenzen sich um genau den Frequenzabstand der beiden Spinzustände des Qubits unterscheiden. (Direkt passende Mikrowellenfrequenzen genügen leider nicht, ihnen fehlt der nötige Impuls zum Umklappen des Ionenspins.) Die Laser-Ramanfrequenzen müssen allerdings sehr weit von jeglichen optischen Übergängen im Qubit-Atom entfernt gewählt werden, um spontane Emission zu vermeiden. Um nun die für kohärente Qubit-Übergänge erfoderliche Phasenkopplung der Laserstrahlen zu erreichen, setzte man bisher entweder modulierte CW-Laser ein, oder zwei separate, an eine gemeinsame Quelle gekoppelte Laser. Beides funktioniert – ist aber sehr aufwendig, wenig effizient und oft mit zusätzlichen nichtlinearen Prozessen in den Atomen verbunden, sowie mit unerwünschten spektralen Verschiebungen durch den Stark-Effekt in Wechselfeldern (AC-Stark-Shift).
Eine Alternative bieten optische Frequenzkämme, wenn die benötigte Übergangsfrequenz aus der Schwebung zweier „Zinken“ des Kamms gewonnen werden kann. Wenn hier aber kein ganzzahliges Vielfaches des Frequenzabstands zum Qubit-Übergang passt, muss bisher z.B. der Resonator des Kamm-generierenden Kurzpulslasers aufwendig abgestimmt werden. Eleganter ist das neue Verfahren: Der Ultrakurzpuls-Laserstrahl wird aufgeteilt und jeder der zwei Strahlen durch einen akusto-optischen Modulator (AOM) geleitet. Diese addieren sehr effizient zu jeder Kammfrequenz einen festen Betrag, der sich aber für die beiden Strahlengänge unterscheiden kann. Nun lässt sich die Interferenz bestimmter Kammzinken des einen und des anderen Strahlengangs leicht über die AOMs abstimmen, so dass die gewünschte Übergangsfrequenz ohne großen Aufwand getroffen wird.
Ein Problem bei diesem Vorgehen liegt in der potentiell (aus Sicht der Qubit-Kohärenz) destruktiven AC-Stark-Verschiebung. Mit dem flexiblen Frequenzkamm lässt sich dies vermeiden, indem man die Raman-Strahlen auf die „magische“ Wellenlänge zwischen den beiden Feinstruktur-Linen im ersten angeregten P-Zustand einstellt. Bei dieser Wellenlänge eliminieren sich gerade die AC-Stark-Verschiebungen des oberen und des unteren Feinstruktur-Niveaus, während sich die Raman-Übergangsamplituden konstruktiv addieren. Hayes und Kollegen haben in ihrer gegenwärtigen Arbeit noch nicht diese magische Wellenlänge eingesetzt; der nächste Schritt in ihrem Forschungsprojekt ist aber, die dritte Harmonische (355 nm) eines Picosekunden-Nd:YAG-Lasers zu nutzen, die fast exakt bei der magischen Wellenlänge des Ytterbium-Ions liegt, das sie nun untersuchen.
Aufgrund der großen Bandbreite modengekoppelter Laser (THz oder mehr) ist das neue Verfahren auf viele Systeme anwendbar, z.B. auf Moleküle, Rydberg-Atome und Quantenpunkte. Kohärente Steuerung mit flexiblen Frequenzkämmen kann sehr schnell sein und nur wenige Pulse pro Gatter erfordern. In einem extremen Fall der Kurzpulslaser-basierten Beeinflussung von Qubits in einer Ionenfalle kann mit einem einzigen Puls der kohärente Übergang der Besetzung erreicht werden, und mit einigen Pulsen ließen sich Verschränkung und Quanten-Gatter zwischen Ionen erzeugen. Zwar ist die Physik der kohärenen Zustandssteuerung mit Einzelpulsen nicht einfach auf Frequenzkämme zu übertragen, weil es in deren Frequenzdomäne keinen Einzelpuls gibt, aber der Ansatz der Beeinflussung kalter Atome und Ionen mit ultrakurzen Laserpulsen wird sicherlich breitere Anwendung finden.
[D. Hayes, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko, C. Monroe, Entanglement of Atomic Qubits Using an Optical Frequency Comb, Phys. Rev. Lett. 104, 140501 (2010)]
(Diese Zusammenfassung der Arbeit von Hayes et al. basiert auf dem APS Physics Viewpoint Article von Boris Blinov, Department of Physics, University of Washington, Seattle, WA, USA, vom 5.4.2010.)

Photonik 3/2010

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