Kohärente Dynamik von Rydberg-Atomen in einem hybriden Quantensystem

Abstract

Hybrid quantum systems combine the advantages of their individual systems and are essential components of a comprehensive quantum network. One possible re- alization of such a platform consists of superconducting circuits as quantum gates, ultracold atoms as quantum memories and photons as flying qubits for quantum communication. The connection between superconducting and atomic qubits can be established by a microwave resonator in combination with highly excited Rydberg states. Quantum information can be converted between the quantum memory and the communication channel by appropriate light fields. In this work, fundamental properties of the interface between superconducting circuits, highly excited Rydberg atoms and the ground state atoms are experimentally investigated. For the first time, a coherent coupling of Rydberg atoms - which were trapped on an integrated superconducting atom chip - to a coplanar waveguide resonator was demonstrated. Rubidium atoms were trapped near the surface of the chip, individually excited into a Rydberg state and Rabi oscillations driven by the resonator between two Rydberg states were observed. Inhomogeneous electric stray fields near the surface - caused, among other things, by adsorption of rubidium atoms on the chip - were effectively used to localize the excitation into a thin sheet, thus reducing dephasing by the inho- mogeneous microwave field of the resonator. A pair of Rydberg states could also be found in the field, whose measurement signals could be clearly separated from each other despite the only partially state-selective measurement method. The data was analyzed using an extensive numerical simulation of the Rydberg atoms in external fields. The extreme polarizability of the Rydberg atoms also made it possible to gain more precise insights into the stray fields. The dynamics of a charge accumulation in the gap between the conductors of the resonator, which causes a changing elec- tric field at the location of the atom trap, could be identified. In addition, a purely optical measurement method was tested to determine the coherence of a Rydberg excitation. Based on a simulation of the temporal evolution of the density matrix of the system with effective decay rates, a decoherence mechanism in the experiment could be identified, which led to a rapid dephasing of the Rydberg excitation.

Hybride Quantensysteme vereinen die Vorzüge ihrer Einzelsysteme und sind essen- tielle Bestandteile eines umfassenden Quantennetzwerks. Eine mögliche Realisierung einer solchen Plattform besteht aus supraleitenden Schaltkreisen als Quantengatter, ultrakalten Atomen als Quantenspeicher und Photonen als fliegende Qubits für eine Quantenkommunikation. Die Verbindung zwischen supraleitenden und den atomaren Qubits kann durch einen Mikrowellenresonator in Kombination mit hoch angereg- ten Rydberg-Zuständen etabliert werden. Zwischen Quantenspeicher und Kommu- nikationskanal können Quanteninformationen durch entsprechende Lichtfelder kon- vertiert werden. In dieser Arbeit werden grundlegende Eigenschaften der Schnitt- stelle zwischen supraleitenden Schaltkreisen, hoch angeregten Rydberg-Atomen und den Grundzustands-Atomen experimentell untersucht. Erstmals konnte eine kohä- rente Kopplung von Rydberg-Atomen - welche auf einem integrierten, supraleiten- den Atom-Chip gefangen waren - an einen koplanaren Wellenleiter-Resonator gezeigt werden. Dazu wurden Rubidiumatome nahe der Oberfläche des Chips gefangen, ein- zeln in einen Rydberg-Zustand angeregt und durch den Resonator getriebene Rabi- Oszillationen zwischen zwei Rydberg-Zuständen beobachtet. Inhomogene elektrische Störfelder in Oberflächennähe - unter anderem verursacht durch Adsorption von Ru- bidiumatomen auf dem Chip - konnten effektiv genutzt werden, um die Anregung in eine dünne Scheibe zu lokalisieren, und so eine Dephasierung durch das inhomo- gene Mikrowellenfeld des Resonators verringern. In dem Feld konnte außerdem ein Paar von Rydberg-Zuständen gefunden werden, deren Messsignale trotz der nur teil- weise zustandsselektiven Messmethode klar voneinander getrennt werden konnten. Die Analyse der Daten erfolgte anhand einer umfassenden numerischen Simulation der Rydberg-Atome in äußeren Feldern. Die extreme Polarisierbarkeit der Rydberg- Atome machte es außerdem möglich, genauere Erkenntnisse über die Störfelder zu erlangen. Es konnte die Dynamik einer Ladungsansammlung in der Aussparung zwi- schen den Leitern des Resonators identifiziert werden, die ein sich änderndes elek- trisches Feld am Ort der Atomfalle bewirkt. Darüber hinaus wurde eine rein opti- sche Messmethode zur Bestimmung der Kohärenz einer Rydberg-Anregung erprobt. Anhand einer Simulation der zeitlichen Entwicklung der Dichtematrix des Systems mit effektiven Zerfallsraten, konnte ein Dekohärenzmechanismus aus dem Experiment identifiziert werden, welcher zu einer schnellen Dephasierung der Rydberg-Anregung führte.