Experiments with an Entangled System of a Single Atom and a Single Photon

Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.Entanglement is one of the most fundamental features in quantum mechanics. It describes a non-separable state of two or more quantum objects and has certain properties which contradict common physical sense. While the concept of entanglement between two quantum systems, which was introduced by E. Schrödinger in 1935, is well understood, its generation and analysis still represent a substantial challenge. Especially entanglement between objects of different nature like atoms and photons was achieved only very recently and is subject of current research. This thesis presents experiments on entanglement between a single Rubidium atom and a single photon. The atom is stored in an optical trap where it is well localized and its internal state can be manipulated by laser pulses. For generation of entanglement the atom is optically excited into a short-lived upper level from where it falls back emitting a single photon whose polarization is entangled with the atomic spin. During this work methods were developed which allow to prepare and to analyze the atom-photon state with high accuracy. In order to make the entangled state available for further applications, several problems had to be solved. First, the internal atomic state is sensitive to external influence, in particular to magnetic and electromagnetic fields. To preserve the quantum state of the atom during the experimental time (which is of the order of microseconds) the external fields were compensated using a specially developed active stabilization system. The second problem is the communication of the photon to a different location. For this purpose an optical fiber link of 300 meters was set up. Since the polarization state of the photon is changed during propagation due to mechanically and thermally induced birefringence in the fiber, a system for an active maintenance of polarization was implemented. Atom-photon entanglement was distributed over this fiber link confirming its reliability. The new type of entanglement has many applications, particularly in the field of quantum information processing and communication. The ability to store and process quantum superpositions and entangled states allows to efficiently solve certain problems which can not be solved on classical computers within reasonable time. Furthermore the quantum nature of this information requires and enables fundamentally new communication methods (e.g. quantum teleportation and cryptography). A part of this thesis was dedicated to an implementation of the quantum teleportation protocol on the entangled atom-photon system. A state encoded onto the photon was successfully teleported to the atomic spin over a distance of 5 meters. Using the tools developed in this work, it becomes feasible to entangle two atoms over a large distance. For this purpose two identical atomic traps will be operated simultaneously producing two entangled atom-photon pairs. The interference of photons will allow to entangle the two atoms providing a key ingredient for a fundamental test of quantum mechanics, the so-called Bell test