Kontrolle von Rydberg-Atomen für Quantentechnologien

Rydberg atoms are the “giants” in the world of atomic physics. Their highly excited valence electron gives them remarkable properties, such as a long lifetime, large dipole moments and great sensitivity to external fields rendering them ideal tools for the study of quantum effects and quantum technology applications. Quantum technologies promise to outperform their classical counterparts in terms of speed, security, accuracy and performance while presenting us with new challenges. This thesis explores different applications of Rydberg atoms for quantum technologies from a quantum control perspective with a special focus on quantum measurements. Many quantum technologies require the fast and accurate engineering of quantum states to achieve peak performance and avoid decoherence. I tackle this requirement by employing quantum optimal control theory (OCT) and demonstrate fast and accurate navigation in the high-dimensional Stark manifold of rubidium Rydberg atoms. This is illustrated by means of two examples: the circularisation of Rydberg atoms and the preparation of a Schrödinger-cat-like state which promises quantum sensing of electric fields at the fundamental limit using alkali atoms. While Rydberg physics has focused for a long time on alkali atoms, it is worth to extend the study to alkaline-earth atoms, as their second valence electron promises new opportunities for quantum technology. However, modelling alkaline-earth atoms is challenging due to electronic interactions. I therefore develop an improved single-active-electron model and optimise the parameters to maximise the agreement with spectroscopic data. This enables OCT applications of strontium which require a precise model for the quantum system under consideration. Fast protocols are an important tool to avoid decoherence. However, quantum technologies rely on accessing the system for information processing and read-out. The study of open quantum systems is thus crucial for realising quantum technology in presence of decoherence. I therefore propose a quantum simulator for open quantum systems which enables the systematic study of dissipation, memory effects and their interplay for quantum control. The simulator is based on frequent measurements of a system by a meter which can be realised, for instance, by a photonic mode of a cavity and a Rydberg atom, respectively. The strong interaction of composite systems involving Rydberg atoms lends itself not only for quantum simulation but also for spectroscopy. Many standard detection methods for quantum objects are based on their destruction, e.g. by absorption or ionisation. Förster resonance energy transfer (FRET), on the other hand, is a popular spectroscopic tool and promising candidate for the non-destructive detection of polar molecules. The large size of Rydberg atoms, however, suggests a breakdown of the commonly employed dipole-dipole approximation. To enable the study of FRET, I simulate the collision between a Rydberg atom and a polar molecule considering dipole-dipole, -quadrupole and -octupole interactions. The computed scattering cross-sections allow for studying of the multipolar character of FRET and its spectroscopic potential.Rydberg-Atome sind die “Riesen” in der Welt der Atomphysik. Ihr hoch angeregtes Valenzelektron verleiht ihnen bemerkenswerte Eigenschaften wie eine lange Lebensdauer, große Dipolmomente und eine große Empfindlichkeit gegen über äußeren Feldern, was sie zu idealen Werkzeugen für die Untersuchung von Quanteneffekten und Quantentechnologie macht. Quantentechnologien versprechen ihre klassischen Vorläufer in Bezug auf Geschwindigkeit, Sicherheit, Genauigkeit und Leistung zu übertreffen, stellen uns aber auch vor neue Herausforderungen. In dieser Arbeit untersuche ich verschiedene Anwendungen von Rydberg-Atomen für Quantentechnologien unter Verwendung von Quantenkontrolle, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem quantenmechanischen Messprozess liegt. Viele Quantentechnologien erfordern die schnelle und genaue Präparation von Quantenzuständen, um beste Ergebnisse zu erzielen und Dekohärenz zu vermeiden. Ich bearbeite diese Anforderung mit Hilfe der Theorie optimaler Quantenkontrolle (OCT) und demonstriere eine schnelle und genaue Navigation in der hochdimensionalen Stark-Mannigfaltigkeit von Rubidium-Rydberg-Atomen. Dies wird anhand von zwei Beispielen veranschaulicht: der Zirkularisierung von Rydberg-Atomen und der Präparation eines Schrödinger-Katzen-Zustands, der Quantensensorik von elektrischen Feldern an der fundamentalen Grenze unter Verwendung von Alkaliatomen verspricht. Während sich die Rydberg-Physik lange Zeit auf Alkaliatome konzentriert hat, lohnt es sich, die Forschung auf Erdalkaliatome auszudehnen, da deren zweites Valenzelektron neue Möglichkeiten für die Quantentechnologie verspricht. Die Modellierung von Erdalkaliatomen ist jedoch aufgrund der elektronischen Wechselwirkungen eine Herausforderung. Ich entwickle daher ein verbessertes effektives Einelektronmodell und optimiere die Parameter, um die Übereinstimmung mit den spektroskopischen Daten zu maximieren. Dies ermöglicht OCT-Anwendungen von Strontium, die ein präzises Modell für das betrachtete Quantensystem erfordern. Schnelle Protokolle sind ein wichtiges Instrument zur Vermeidung von Dekohärenz. Quantentechnologien sind jedoch auf den Zugang zum System angewiesen, um Informationen zu verarbeiten und auszulesen. Die Untersuchung offener Quantensysteme ist daher von entscheidender Bedeutung für die Verwirklichung von Quantentechnologie in Gegenwart von Dekohärenz. Ich präsentiere daher einen Quantensimulator für offene Quantensysteme, der die systematische Untersuchung von Dissipation, Gedächtniseffekten und deren Zusammenspiel für die Quantenkontrolle ermöglicht. Der Simulator basiert auf wiederholten Messungen eines Systems durch ein Mess-System, die z.B. als photonische Mode einer Kavität bzw. ein Rydberg-Atom realisiert werden können. Die starke Wechselwirkung von zusammengesetzten Systemen, die Rydberg-Atomen beinhalten, eignet sich nicht nur für die Quantensimulation, sondern auch für die Spektroskopie. Viele Standardnachweisverfahren für Quantenobjekte beruhen auf deren Zerstörung, z.B. durch Absorption oder Ionisation. Der Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) hingegen ist ein beliebtes spektroskopisches Werkzeug und ein vielversprechender Kandidat für den zerstörungsfreien Nachweis polarer Moleküle. Die große Ausdehnung von Rydberg-Orbitalen lässt jedoch darauf schließen, dass die üblicherweise verwendete Dipol-Dipol-Näherung nicht ausreichend ist. Um die Untersuchung von FRET zu ermöglichen, simuliere ich den Zusammenstoß zwischen einem Rydberg-Atom mit einem polaren Molekül unter Berücksichtigung von Dipol-Dipol-, Quadrupol- und Oktupol-Wechselwirkungen. Die berechneten Streuquerschnitte ermöglichen die Untersuchung des multipolaren Charakters von FRET und seines spektroskopischen Potenzials