German Title: Kohärenzeffekte in vakuum-induzierten Prozessen

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Abstract

Quantum interference and coherence effects in the interaction of atoms with the quantized electromagnetic field are investigated theoretically. A general master equation for the description of atom-field interactions is introduced. The interplay of the concepts of complementarity and interference in the time-energy domain are studied on the basis of the fluorescence light emitted by a single laser-driven atom, where the coherence of spontaneous processes gives rise to quantum interference in the spectrum of resonance fluorescence. The vacuum-induced dipole-dipole interaction in pairs of multi-level atoms is analyzed. It is shown that the interaction between orthogonal transition dipole moments of different atoms does not only influence the system dynamics crucially, but implies that the few-level approximation in general cannot be applied to near-degenerate Zeeman sublevels of the atomic level scheme. Potential applications of dipole-dipole interacting multi-level atoms for the implementation of decoherence-free subspaces and the generation of entanglement between atomic states are examined. The generation of an entangled state of the radiation field with a macroscopic number of photons is discussed on the basis of a single-atom laser.

Translation of abstract (German)

Quanteninterferenzen und Kohärenzeffekte in der Wechselwirkung von Atomen mit dem quantisierten elektromagnetischen Feld werden theoretisch untersucht. Eine allgemeine Mastergleichung zur Beschreibung der Wechselwirkung von Atomen mit dem Strahlungsfeld wird vorgestellt. Das Zusammenspiel von Komplementarität und Interferenz in Bezug auf Energie und Zeit wird anhand des Fluoreszenzlichts eines einzelnen, lasergetriebenen Atoms diskutiert. Hierbei führt die Kohärenz der spontanen Prozesse zur Quanteninterferenz im Resonanzfluoreszenzspektrum. Die vakuum-induzierte Dipol-Dipol Wechselwirkung wird in Systemen bestehend aus zwei Mehrniveau-Atomen analysiert. Es wird gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen orthogonalen Dipolmomenten verschiedener Atome nicht nur die Systemdynamik entscheidend beeinflußt, sondern auch bewirkt, dass benachbarte, nahezu entartete Zeeman-Unterzustände des atomaren Niveauschemas im Allgemeinen nicht vernachlässigt werden können. Potentielle Anwendungen von Dipol-Dipol wechselwirkenden Mehrniveau-Atomen für die Realisierung von dekohärenzfreien Unterräumen und die Erzeugung von Verschränkung zwischen atomaren Zuständen werden aufgezeigt. Die Erzeugung eines verschränkten Zustandes des Strahlungsfeldes mit einer makroskopischen Zahl von Photonen wird anhand eines Ein-Atom Lasers diskutiert.