Neklasická a koherentní emise z chycených iontových krystalů

Ing. Petr OBŠIL

Disertační práce

Quantum physics with trapped ions

Abstract:

Disertační práce je věnována kvantově optickým experimentům s chycenými a laserově chlazenými ionty ^(40)Ca^+. Práce popisuje generaci a pozorování koherentní a neklasické emise světla z chycených iontových krystalů a možnost jejich škálovatelnosti k velkým iontovým systémům. Ionty jsou prostorově lokalizovány v lineární Pauliho pasti uvnitř komory s ultra-vysokým vakuem. Doba života iontového krystalu je nepřímo úměrná tlaku vakua, a proto je stěžejní dosáhnout dostatečně nízkých hodnot zbytkového tlaku, aby byl systém škálovatelný v počtu atomů. Disertační práce se detailně věnuje popisu jednotlivých kroků při stavbě vakua a charakterizaci zbytkového tlaku pomocí analýzy rychlosti formování CaH^+ molekul, což ukázalo na extrémně nízké hodnoty parciálního tlaku vodíku pro iontový systém pracující za pokojové teploty. Pozorování koherentní emise z velkého počtu kvantových zářičů je nezbytné pro realizaci mnoha základních experimentů v kvantové optice, zahrnujících směrovou emisi, optickou generaci multipartitního kvantového provázání nebo přímé vytvoření kvadraturního stlačení atomové rezonanční fluorescence. Disertační práce prezentuje pozorování interference z lineárních iontových řetízků obsahujících až 53 chycených iontů. Představená měření naznačují, že kontrast pozorovaných interferenčních křivek neklesá se vzrůstajícím počtem iontů a fázová citlivost je blízko teoretickým předpovědím pro ideální situaci. Světlo vyzářené z jednotlivých atomů není možné zapsat klasickým způsobem popisujícím elektromagnetické vlny. Neklasické stavy světla rozptýleného jedním iontem jsou toho důkazem. V poslední dekádě byla uveřejněna řada experimentů pozorujících neklasické světlo ze systému jednoho nebo několika málo zářičů, nicméně pro zvyšující se počet zářičů tato pozorovatelnost neklasičnosti přirozeně mizela. Práce popisuje experimentální pozorování diskrétních neklasických stavů světla z iontových systémů obsahujících více než tisíc iontů. Další navýšení počtu iontů narazilo na technický limit, nikoliv principiální, což v budoucnu může umožnit pozorovat neklasické stavy ještě z většího počtu zářičů.

Abstract:

The thesis is dedicated to quantum optics experiments with trapped and laser-cooled ^(40)Ca^+ ions. It presents the generation and observation of coherent and nonclassical light emission from trapped ion crystals and the possibility of its scaling to large ionic ensembles. The ions are spatially localized in a linear Paul trap in the ultra-high vacuum chamber. The lifetime of an ionic crystal is inversely proportional to the vacuum pressure, therefore it is crucial to reach a sufficiently low pressure of the background gas for the scalable atomic ensemble. The thesis is concerned by a detailed description of the vacuum building procedures and characterization of residual pressure by analyzation of the formation rate CaH^+ molecules, which led to the unprecedented value of the partial pressure of hydrogen in the room temperature ion trapping apparatus. The observation of coherent emission from a large number of quantum emitters is essential for the realization of many fundamental collective phenomena in quantum optics, including directional emission, optical generation of multipartite entanglement, or direct creation of quadrature squeezing of atomic resonance fluorescence. The thesis presents the observation of interference from linear ion chains consisting of up to 53 trapped ions. The presented measurements suggest that the visibility of the observed interference patterns does not decrease with an increasing number of ions, and its phase sensitivity is close to the theoretical predictions for an ideal situation. The light emitted from single atoms is incompatible with the classical description of electromagnetic waves. Nonclassical states of light scattered by single ion prove it. In the past decade, several experiments reported on the observation of light nonclassicality from a single and few emitter ensembles, which, however, was naturally disappearing with their increasing number. The thesis describes the experimental observation of discrete nonclassical light states from ion ensembles containing up to more than a thousand of ions. The further scaling was limited solely technologically, but not fundamentally, which in the future can allow the observation of nonclassical states from an even larger number of emitters.

Keywords

Kvantová optika, Chycené ionty, Interference

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 3. 2021

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: prof. Mgr. Radim Filip, Ph.D., prof. Mgr. Radim Filip, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika / Optika a optoelektronika