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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Seitenbandkühlung von gespeicherten Ytterbium-Ionen im Mikrowellenregime
Other Titles: Sideband-cooling of trapped ytterbium-ions in the microwave regime
Authors: Scharfenberger, Benedikt 
Institute: Fakultät IV Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät 
Free keywords: Magnetic gradient induced coupling, Paul trap, sideband-cooling, quantum information processing, microwave
Dewey Decimal Classification: 530 Physik
GHBS-Clases: UHEQ
Issue Date: 2012
Publish Date: 2013
Abstract: 
In einer Paulfalle gespeicherte Ionen sind derzeit einer der vielversprechendsten
Kandidaten für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV). Die dafür in dem hier
beschriebenen Experiment verwendete Methode wurde im Jahre 2001 von F. Mintert
und Ch. Wunderlich vorgestellt. Dabei wird auf atomare Übergänge im Mikrowellenoder
Radiowellenbereich zurückgegriffen, wobei ein Magnetfeldgradient entlang einer
Ionenkette die Entartung der Übergangsfrequenzen verschiedener Ionen aufhebt
und so für die Unterscheidbarkeit der einzelnen Ionen im Frequenzraum sorgt; weiterhin
wird sichergestellt, dass interne und externe Freiheitsgrade der Ionenkette gekoppelt
werden können. Diese Methode wird MAGIC (MAgnetic Gradient Induced
Coupling) genannt. Die Durchführung der Experimente erforderte zudem den Aufbau
der Versuchsapparatur bestehend aus Laserquellen, Lambdameter, Vakuum- und Mikrowellensystem,
sowie aus Abbildungs- und Detektionseinheiten, als Voraussetzung
für die erfolgreiche Durchführung der hier vorstellten Experimente. Für die Versuche
ist es von Vorteil, die Ionen in einem Zustand nahe des Grundzustands der Schwingung
zu präparieren, weil dies dazu beiträgt, die Dephasierung bei der Manipulation
mit Mikrowellen einzudämmen. Bei dieser sogenannten Seitenbandkühlung in den
sub-Doppler Bereich wird ausgenutzt, dass sich die Ionen in guter Näherung in einem
harmonischen Oszillatorpotential befinden und deshalb nur diskrete Schwingungszustände
besetzt werden können, deren Abstand der axialen Fallenfrequenz entspricht.
Durch Anregung mit Hilfe der Mikrowelle, die um ein solches Schwingungsquant
zu niedrigeren Energien von der Resonanz verstimmt ist, verliert das Ion pro Zyklus
mit hoher Wahrscheinlichkeit die entsprechende Energie. Durch mehrfachen Durchlauf
des Kühlzyklusses lässt sich die durchschnittliche Phononenzahl und somit die
Temperatur des Ions effektiv reduzieren und das Ion kann in einem Zustand nahe des
Grundzustands der Schwingung präpariert werden. Als Seitenbandübergang wurde ein
Hyperfein-Übergang des Isotops 171Yb+ mit einer Übergangsfrequenz von etwa 12.6
GHz verwendet. Prinzipiell ist der Impulsübertrag von Mikrowellenphotonen zu gering
um die Ionen effektiv zu kühlen; unter Anwendung von MAGIC wird dies jedoch
möglich. In dieser Arbeit wurden die für die Seitenbandkühlung relevanten Parameter
charakterisiert, was die Heizrate einschließt, welche dem Kühlprozess entgegenwirkt.
Dabei wurde die durchschnittliche Phononenzahl durch Seitenbandkühlung von über
100 Phononen auf 4(4) reduziert, was mit dem Grundzustand verträglich ist.
Für die Verifizierung der Ergebnisse wurde die erfolgreiche Seitenbandkühlung mit
verschiedenen Methoden übereinstimmend nachgewiesen. Bei dieser Arbeit handelt es
sich nach der Kenntnis des Autors um die erste detaillierte Behandlung der Seitenbandkühlung
von Ionen in einem statischen Magnetfeldgradienten mittels Mikrowellen.

Trapped ions in a Paul trap are at present one of the most promising candidates for
Quantum Information Processing (QIP). The technique that is used for this purpose in
this experiment was introduced in 2001 by F. Mintert and Ch. Wunderlich. The core
of this method is the use of atomic transitions in the radio- or microwave region, while
a magnetic field gradient along the trap axis (where the ion chain is situated) lifts
the degeneracy of the transition frequencies, such that the ions can be distinguished
in frequency space; it also serves for the coupling of internal and external degrees of
freedom of the ion chain. This method is called MAGIC (MAgnetic Gradient Induced
Coupling).
The performance of the measurements required that the apparatus of the experiment,
which consists of laser sources, lambdameter, vacuum- and microwave system
as well as imaging- and detection-units, had to be assembled and tested, which was
an important prerequisite for the successful performance of the here described experiments.
For the experiments it is advantageous to prepare the ions in an energetic state
close to the motional ground state, which contributes to a reduction of the dephasing
of the system while manipulating it with microwaves. By using the sideband-cooling
technique to the sub-Doppler regime it is taken advantage of the fact, that ions in a linear
trap are in good approximation situated in a harmonic oscillator potential and can
therefore only populate discrete vibrational energy levels, whose frequency difference
is given by the axial trap frequency. If the system is excited by a microwave, which
frequency is detuned from resonance to lower energies by a vibrational quantum,
the ion looses one such phonon within each cooling-cycle. When this cycle is driven
several times, the average phonon number and thus the temperature of the ion can be
reduced efficiently and the ion can be initialized in a state close to the motional ground
state. As sideband-cooling-transition two hyperfine-levels of 171Yb+ were used, addressed
with a microwave at about 12.6 GHz. In principle microwave photons do not
carry enough momentum to cool down the ions but due to the MAGIC-technique, this
is even possible.
In this work the parameters relevant for the sideband-cooling process were characterized,
including the heatrate that counteracts the cooling. With this, the average
phonon number was reduced from about 100 to 4(4), which is compatible with
the motional ground state. For the verification of the successful cooling process two
different methods for analysis were used while the results agreed. The work is to the
knowledge of the author the first detailed description of sideband-cooling of trapped
ions in a static magnetic field gradient in the microwave regime.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-6954
urn:nbn:de:hbz:467-6954
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/695
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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