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Title
Storage of fiber-guided light in a nanofiber-trapped ensemble of cold cesium atoms / von Bernhard Albrecht
Additional Titles
Speicherung von fasergeführtem Licht in einem Nanofaser-gefangenen Ensemble von kalten Cäsiumatomen
AuthorAlbrecht, Bernhard
CensorRauschenbeutel, Arno
PublishedWien, 2017
Descriptionviii, 89 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2017
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Lichtspeicher / nanofaser-basierte Atomfallen / Mikrowellen-Seitenbandkühlen
Keywords (EN)optical memory / nanofiber-based atom traps / microwave sideband-cooling
Keywords (GND)Quantenoptik / Licht / Speicher <Informatik> / Cäsiumatom / Teilchenfalle / Nanofaser / Glasfaser
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-101258 Persistent Identifier (URN)
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Storage of fiber-guided light in a nanofiber-trapped ensemble of cold cesium atoms [4.2 mb]
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Abstract (German)

Die Fähigkeit klassische Lichtpulse abspeichern zu können ist unerlässlich für die Realisierung vollständig optischer Methoden zur Signalverarbeitung. Diese optischen Zwischenspeicher können derart erweitert werden, dass sie als optische Quantenspeicher operieren, in welchen die Quantenzustände von Licht abgespeichert werden können. Solche Quantenspeicher sind unabdingbare Elemente weitverzweigter optischer Quantennetzwerke. Das Abspeichern von Lichtpulsen wurde bereits mithilfe mehrerer Systeme erreicht, wie zum Beispiel mit kalten oder ultrakalten Atome. Dennoch ist die Realisierung effizienter und langlebiger optischer Speicher, integriert in einer Glasfaser, noch immer Ziel aktiver Forschung. In dieser Doktorarbeit berichte ich über den Fortschritt in Richtung einer neuartigen Implementierung eines optischen Quantenspeichers. ^Zu diesem Zweck wird eine Nanofaser-basierte experimentelle Plattform verwendet, die das Fangen lasergekühlter Cäsium-Atome erlaubt und eine optische Schnittstelle zwischen dem fasergeführten Licht und den gefangenen Atomen bereitstellt. Die Nanofaser wird hierbei als eine verjüngte Glasfaser realisiert. Obwohl die Atome nahe der Oberfläche der Nanofaser gefangen werden, bietet das System lange Kohärenzzeiten des atomaren Grundzustandes. Dies, zusammen mit der guten Kopplung der gefangenen Atome an das fasergeführte Lichtfeld, macht aus diesem System einen vielversprechenden Kandidaten für die Realisierung eines fasergekoppelten Quantenspeichers. Ich demonstriere die Realisierung eines optischen Speichers für schwache Lichtpulse, unter Verwendung des Effekts der elektromagnetisch induzierten Transparenz. Dieser Effekt ermöglicht es, die Gruppengeschwindigkeit eines Lichtpulses im atomaren Medium drastisch zu reduzieren und sogar innerhalb des Mediums zu stoppen. ^In diesem Zusammenhand zeige ich experimentell das Abspeichern und Abrufen fasergeführter Lichtpulse, bestehend aus einzelnen Photonen, mit einer konkurrenzfähigen charakteristischen Speicherzeit. Diese Resultate sind ein wichtiger Schritt in Richtung vollständig glasfaserbasierter optischer Speicher. Um die Speicherzeit weiter erhöhen zu können, ist es vorteilhaft mehr Kontrolle über die Bewegungsfreiheitsgrade der gefangenen Atome zu erhalten. Eine Möglichkeit um dies zu erreichen wird in dieser Arbeit vorgestellt. Hier macht man sich die fiktiven Magnetfelder zunutze, welche durch die Fallenlichtfelder induziert werden und die Kopplung zwischen dem externen Bewegungszustand und dem internen Hyperfeinzustand der Atome ermöglichen. Dies erlaubt die Implementierung von Mikrowellen Seitenbandkühlen, was einen befähigt den Großteil der gefangenen Cäsium-Atome im niedrigsten Bewegungszustand zu präparieren. ^Zusätzlich kann diese Kopplung verwendet werden um diverse Parameter der gefangenen Atome, wie zum Beispiel die Fallenfrequenz, den mittleren Bewegungszustand oder die Heizrate, zu untersuchen.

Abstract (English)

To store a classical light pulse is an important capability for the realization of all-optical signal processing schemes. Optical buffers that allow storing optical pulses can be extended to work as optical quantum memories, in which quantum states of light can be stored. Those optical quantum memories are crucial elements of large-scale quantum optical networks. The storage of light has been achieved with several systems, such as cold or ultracold atoms. Despite this, the realization of efficient and long-lived fiber-integrated optical memories is still subject to active research. In this thesis, I report on the progress towards a novel implementation of an optical quantum memory. Here, a nanofiber-based experimental platform for trapping and optically interfacing laser-cooled Cesium atoms is used, where the nanofiber is realized as the waist of a tapered optical fiber. ^Despite the atoms being trapped close to the nanofiber surface, the system offers a long ground state coherence time. This, in combination with the good coupling of the trapped atoms to fiber-guided light fields, renders this system a promising candidate for the realization of a fiber-coupled quantum memory. I demonstrate the realization of an optical memory for weak optical pulses, using the effect of electromagnetically induced transparency. This effect allows to drastically reduce the group velocity of a fiber-coupled light pulse when propagating through the medium. Eventually, the light pulse can be brought to a halt. In this context, I experimentally show storage and retrieval of fiber-guided light at the single-photon level, while featuring a competitive characteristic memory lifetime. The presented results are an important step towards realizing fully fiber-based quantum networks. ^For further improvement of the lifetime of the presented optical memory, it is of advantage to gain better control over the trapped atom's motional degree of freedom. One possibility to achieve this goal utilizes the trapping light field-induced fictitious magnetic fields. It allows the coupling between the external motional state and the internal hyperfine state of the atom. As shown in this thesis, this coupling can be used to implement microwave sideband cooling, allowing the preparation of the majority of the nanofiber-coupled Cesium atoms in the motional ground state. Furthermore, the coupling can be utilized as a tool to probe specific parameters of the trapped atoms, such as the trap frequency, the mean motional excitation number or the heating rate.

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