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Quantum manipulation of (ultra-)cold atom systems for information processing

Mandel, Torsten

German Title: Quantenmanipulation von (ultra-)kalten Atomsystemen für Quanteninformationsverarbeitung

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Abstract

Abstract This work is split into two parts, in part one of this thesis we report on the improvement of the lifetime of a quantum memory based on neutral atoms while in part two we will focus on a new setup to perform experiments on neutral atoms within a 2D optical lattice. In the quantum memory experiment we used a blue-detuned optical dipole trap to confine the atoms in a minimum intensity region of the light beam, reducing dephasing due to differential light shift. We saw improvement in comparison to a previous experiment using red-detuned dipole traps. The anticipated lifetime could not be reached, however. We observed oscillations of the retrievability of our stored state which we explain by the evolution of the transversal component of the spinwave using Monte-Carlo simulations. In the second part we report on our new setup, built to investigate a broad range of experiments regarding 2D physics on optical lattices. This field is of special interest as it allows to simulate Hamiltonians of a wide range e.g. from solid state physics and opens possibilities regarding large-scale Entanglement/one-way computing. In particular we discuss 2D Mott-insulators, 2D-Bloch oscillation induced transport phenomena and ring-exchange in a superlattice plaquette.

Translation of abstract (German)

Zusammenfassung Diese Arbeit besteht aus 2 Teilen, wobei wir im ersten Teil von einer verbesserten Speicherzeit in einem auf neutralen Atomen basierten Quantenspeicher berichten, während wir uns im zweiten Teil auf einen neuen Aufbau für Experimente mit neutralen Atomen in 2D optischen Gittern konzentrieren. Um die Speicherdauer der Spinwelle zu erhöhen benutzten wir eine blau verstimmte Dipolfalle, die die neutralen Atome im Minimum der Laserintensität gefangen hält und so die Dekohärenz durch den “differential lighshift” minimiert. In der Tat beobachten wir eine Verbesserung gegenüber einem vorhergehenden Experiment, das eine rot verstimmte optische Dipolfalle nutzte. Die erwartete Lebensdauer konnte jedoch leider nicht erreicht werden. Die dabei auftretende zeitliche Oszillation der Ausleseeffizienz konnte durch eine Monte-Carlo Simulation der Transver- salkomponente der Spinwelle erklärt werden. Im zweiten Teil berichten wir über unseren neuen Experimentaufbau, der darauf ausgelegt ist ein breites Spektrum an Exper- imenten auf einem zweidimensionalen optischen Gitter durchführen zu können. Dieses Feld ist besonders interessant, da es erlaubt Hamiltonians aus einem breiten Spektrum zu simulieren, z.B. aus der Festkörperphysik und eröffnet Möglichkeiten für großskalierte Verschränkung und One-way Quantum Computing. Insbesondere konzentrieren wir uns auf den 2D-Mott Isolator, Transportphänomene induziert durch 2D-Bloch Oszillationen und den Ringaustausch in einer Supergitter-Plakette.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pan, Prof. Dr. Jian-Wei
Date of thesis defense: 22 July 2014
Date Deposited: 04 Aug 2014 09:52
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 004 Data processing Computer science
530 Physics
Controlled Keywords: Quantum information, Ultracold atoms, Optical lattices, Quantum memory
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