Deutsche Übersetzung des Titels: Erzeugung verschränkter Mehrteilchenzustände in Atomketten im Rahmen der Hohlraum-QED

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Abstract

Die sogenannte Cavity-Quantenelektrodynamik untersucht elektromagnetische Felder in Hohlraumresonatoren und das Strahlungsverhalten von Atomen in solchen Feldern. Aus experimenteller Sicht stellt ein einzelnes Atom in einem Resonator hoher Finesse das einfachste Beispiel für ein derartiges System dar. Aus theoretischer Sicht eignet sich dieses System besonders zur Quanteninformationsverarbeitung, wobei die Zustände der Atome und des Lichtfeldes als Quantenbits interpretiert werden. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen und dem elektromagnetischen Feld im Resonator ermöglicht dabei die kontrollierte quantenmechanische Verschränkung der Quantenbits. In der vorliegenden Arbeit werden mehrere experimentelle Schemata vorgestellt, bei denen eine Kette von Atomen einen oder mehrere Resonatoren hoher Finesse passiert, um Zustände mit Mehrparteienverschränkung zu erzeugen. Im ersten Schritt werden zwei Schemata zur Erzeugung ein- und zweidimensionaler Cluster-Zustände beliebiger Größe vorgeschlagen. Die beiden Schemata basieren auf der resonanten Wechselwirkung einer Kette von Rydbergatomen mit einem oder mehreren Mikrowellenresonatoren. Im zweiten Schritt wird ein Schema zur Erzeugung von Mehrparteien-W-Zuständen diskutiert, das auf der nicht-resonanten Wechselwirkung einer Kette von Dreizustandsatomen mit einem optischen Resonator und einem Laserstrahl basiert. Alle Einzelschritte der vorgeschlagenen Schemata werden detailliert beschrieben. Darüber hinaus werden mehrere Techniken zur Identifikation der quantenmechanischen Korrelationen in den erzeugten Zuständen begrenzter Größe diskutiert.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

Cavity quantum electrodynamics is a research field that studies electromagnetic fields in confined spaces and the radiative properties of atoms in such fields. Experimentally, the simplest example of such system is a single atom interacting with modes of a high-finesse resonator. Theoretically, such system bears an excellent framework for quantum information processing in which atoms and light are interpreted as bits of quantum information and their mutual interaction provides a controllable entanglement mechanism. In this thesis, we present several practical schemes for generation of multipartite entangled states for chains of atoms which pass through one or more high-finesse resonators. In the first step, we propose two schemes for generation of one- and two-dimensional cluster states of arbitrary size. These schemes are based on the resonant interaction of a chain of Rydberg atoms with one or more microwave cavities. In the second step, we propose a scheme for generation of multipartite W states. This scheme is based on the off-resonant interaction of a chain of three-level atoms with an optical cavity and a laser beam. We describe in details all the individual steps which are required to realize the proposed schemes and, moreover, we discuss several techniques to reveal the non-classical correlations associated with generated small-sized entangled states.