Atom-Photon Entanglement

Entanglement is the key element for many experiments in quantum communication and information. Especially for future applications like quantum networks or the quantum repeater it is mandatory to achieve entanglement also between separated quantum processors. For this purpose, entanglement between different quantum objects like atoms and photons forms the interface between atomic quantum memories and photonic quantum communication channels, finally allowing the distribution of quantum information over arbitrary distances. Furthermore, atom-photon entanglement is also the key element to give the final answer to Einstein's question wether a local and realistic description of physical reality is possible or not. Until now, the results of many experiments testing Bell's inequality indicate that local realistic theories are not a valid description of nature. However, all these tests were subject to loopholes. In this context, atom-photon entanglement represents a crucial step towards the realization of entanglement between distant atoms that would allow a final loophole-free test of Bell's inequality. This thesis describes the generation and verification of an entangled state between a single neutral atom and a single photon at a wavelength suitable for long distance information transport. For this purpose we store a single Rb-87 atom in an optical dipole trap. The atom is prepared in an excited state, that together with its two decay channels forms a lambda-type transition. In the following spontaneous decay, conservation of angular momentum leads to the formation of an entangled state between the angular momentum of the atom and the polarization of the emitted photon. To verify the entanglement we introduce an atomic state-analysis, based on a state-selective adiabatic population transfer between atomic hyperfine levels. This allows the direct analysis of the internal state of the atom in arbitrary measurement bases without the necessity of additional state manipulations. Using this method together with a polarization measurement of the emitted photon, we performed correlation measurements as well as a full state tomography of the combined atom-photon system. From the experimental results we obtain an entanglement fidelity of 87%, which clearly shows that the generated state is entangled. The degree of entanglement observed in our experiment is high enough to allow the generation of entanglement between distant atoms via entanglement swapping, which would allow a final, loophole-free test of Bell's inequality. Furthermore, it opens up a variety of applications in quantum communication and information science.Verschränkung ist das Schlüsselelement vieler Experimente in der Quantenkommunikation und -information. Besonders im Hinblick auf zukünftige Anwendungen wie den Aufbau von Quantennetzwerken ist Verschränkung von unterschiedlichen Quantensystemen wie z.B. Atomen und Photonen unentbehrlich, da sie die Schnittstelle zwischen atomaren Quantenspeichern und optischen Kommunikationskanälen darstellt und die Verteilung von Verschränkung über große Entfernungen ermöglicht. Darüber hinaus ist Atom-Photon-Verschränkung das Hauptelement zur Beantwortung von Einsteins Frage, ob eine lokale und realistische Beschreibung der Realität möglich ist oder nicht. Bisher wurde anhand der Verletzung der Bellschen Ungleichung in verschiedenen Experimenten gezeigt, dass lokale realistische Theorien keine gültige Beschreibung der Realität darstellen. Allerdings mussten in all diesen Experimenten Annahmen getroffen werden, die eine vollständige Widerlegung dieser Theorien unmöglich machte. In diesem Zusammenhang stellt Atom-Photon Verschränkung einen entscheidenden Schritt zur Realisierung eines endgültigen Tests der Bellschen Ungleichung mit Hilfe zweier verschränkter Atome dar, bei dem keine zusätzlichen Annahmen benötigt werden. Diese Arbeit beschreibt die Erzeugung und den Nachweis eines verschränkten Zustands zwischen einem einzelnen Atom und einem einzelnen Photon, mit einer zur Informationsübertragung geeigneten Wellenlänge. Zu diesem Zweck wird ein einzelnes Rb-87 Atom in einer optischen Dipolfalle gefangen. Anschließend wird es in einem angeregten Zustand präpariert, der zusammen mit seinen beiden möglichen Zerfallskanälen ein sogenanntes Lambda-System bildet. Aufgrund der Drehimpulserhaltung entsteht in dem darauffolgenden spontanen Zerfall ein verschränkter Zustand zwischen dem atomaren Drehimpuls und der Polarisation des emittierten Photons. Der Nachweis der Verschränkung erfolgt durch eine atomare Zustandsmessung, die auf einem zustandsselektiven adiabatischen Populationstransfer basiert. Diese Methode erlaubt eine Analyse des internen atomaren Zustands in beliebigen Messbasen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Manipulationen am atomaren Quantenbit. Zusammen mit einer Polarisationsmessung des emittierten Photons wurden Korrelationsmessungen sowie eine komplette Zustandstomographie des Atom-Photon Zustands durchgeführt. Die experimentellen Resultate zeigen eine Güte des verschränkten Zustands von 87%, wodurch die Verschränkung des Zustand eindeutig verifiziert wird. Der in unserem Experiment beobachtete Grad an Verschränkung ist hoch genug um zwei entfernte Atoms durch Verschränkungstransfer zu verschränken und damit einen endgültigen Test der Bellschen Ungleichung durchzuführen, der keine Schlupflöcher für lokale realistische Theorien mehr bietet. Desweiteren bildet die beobachtete Verschränkung eine wichtige Ressource für mögliche Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation