Published 2009 | Version v1
Miscellaneous

Precision spectroscopy with 40Ca+ ions in a Paul trap

Description

This thesis reports on experiments with trapped Ca+ ions related to the field of precision spectroscopy and quantum information processing. For the absolute frequency measurement of the 4s2S1/2-3d2 D5/2 clock transition of a single, laser-cooled 40Ca+ ion, an optical frequency comb was referenced to the transportable Cs atomic fountain clock of LNE-SYRTE and the frequency of an ultra-stable laser exciting this transition was measured. After correction for systematic shifts an absolute transition frequency of fCa+=411042129776393.2 (1.0) Hz is obtained, corresponding to 2.4*10-15 relative uncertainty. The main research field of our group is quantum information processing, therefore it is obvious to use the tools and techniques related to this topic and apply them to high-resolution spectroscopy. As a first realization, the quadrupole moment of the 3d2D5/2 state was measured to be θ(3d, 5/2) =1.82(1) ea20 with Ramsey-type experiments of especially designed Bell states. While entanglement leads to enhanced signal-to-noise ratios, it is not an essential ingredient for this kind of method. The measurement result obtained with classically correlated but un-entangled states confirms the measured value previously obtained with maximally entangled states. (author)

Availability note (English)

Available from Library of the University of Innsbruck, Innrain 50, 6020 Innsbruck (AT)

Abstract (German)

In dieser Arbeit werden Messungen auf dem Gebiet der Praezisionsspektroskopie und Quanteninformationsverarbeitung an gefangenen und Laser-gekuehlten 40Ca+ Ionen vorgestellt. Zur Messung der Absolutfrequenz des 4s2S1/2-3d2D5/2-UEbergangs von 40Ca+ wurde ein optischer Frequenzkamm auf eine transportable Atomuhr in Form einer Cs-Fontaene stabilisiert und die Frequenz des hochstabilen Anregungslasers relativ zur SI-Definition der Sekunde. Mit einer genauen Analyse der systematischen Verschiebungen ergab sich die absolute UEbergangsfrequenz zu fCa+=411042129776393.2 (1.0) Hz. Das entspricht einer relativen Unsicherheit von 2.4*10-15. Zur Demonstration der Anwendbarkeit von Methoden der Quanteninformations-Verarbeitung in der Spektroskopie konnte das Quadrupolmoment des 3d2D5/2-Niveaus mit Hilfe von speziell fuer diesen Zweck konstruierten, verschraenkten Zustaenden zu θ(3d, 5/2) =1.82(1) ea20 bestimmt werden. Dabei wurde ein Bell-Zustand aus magnetischen Unterzustaenden des metastabilen D5/2-Niveaus erzeugt und die Oszillationsfrequenz unter Verwendung von verallgemeinerten Ramsey-Experimenten als Funktion des elektischen Feldgradienten praezise vermessen. Waehrend verschraenkte Zustaende Messungen bei maximalem Kontrast erlauben, ist diese Eigenschaft fuer die Me?methode an sich nicht zwingend erforderlich. Man kann alternativ auch Produktzustaende mit klassischen Korrelationen verwenden, allerdings unter einem Kontrastverlust von mindestens 50%. (author)

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147 p.