Experiment control for quantum simulation with non-local interactions

Abstract

Experimente mit ultrakalten Atomen sind eine etablierte Methode um die Vielteilchenphysik in Quantensystemen zu erforschen. Wenn die Atome präzise gesteuert werden können, kann man diese Experimente auch für Quanten-Informationsverarbeitung verwenden. Die individuelle Steuerung von Atomen kann mit optischen Pinzetten erreicht werden. Zwischen den einzelnen Atomen wollen wir anpassbare Wechselwirkungen erreichen, die mit einer optischen Cavity vermittelt werden. In dieser Arbeit wird ein neuer experimenteller Aufbau vorgestellt, um die räumliche Kontrolle mit optischen Pinzetten und lang-reichweitigen Wechselwirkungen in einer Cavity zu kombinieren. Zur zeitlich präzisen Steuerung von elektrischen und optischen Signalen braucht jedes moderne Experiment ein System, um diese Signale zu erzeugen. Hier werden zwei wichtige Teile dieses Experiments beschrieben: das Lasersystem für eine magneto-optische Falle (MOT) und das System zur Steuerung des Experiments. Das Lasersystem braucht man zur Erzeugung von ultrakalten Atomen, wobei die Temperatur von Rubidium-87 Atomen durch Laserkühlen reduziert wird. Die Experimentsteuerung ist wichtig, um die Hardware in unserem Experiment zu koordinieren. Die Steuerung wird mit Hilfe einer bereits existierenden Software, „labscript“, umgesetzt. Zur Erzeugung von zeitkritischen Signalen wird ein „ADwin-Pro II“ programmiert. Auch andere Geräte wie ein Frequenzgenerator zur Modulation von Laserlicht werden implementiert, um in labscript verwendet zu werden. Mit diesem Steuerungssystem kann der zeitliche Ablauf der Signale exakt definiert werden. Zusätzlich werden Anwendungen der Software zur Analyse von Messungen und zur Optimierung von Parametern in unserem Experiment gezeigt.

Experiments with ultracold atoms have established themselves as powerful tools to investigate phenomena in quantum many-body physics. With a precise control of the atoms, such experiments can be also used for quantum information processing. The individual control of atoms can be achieved with optical tweezer arrays. Between single atoms we plan to implement tunable interactions, that are mediated by an optical cavity with high finesse and a small mode volume. In this thesis, a new experiment apparatus to combine the spatial control of a tweezer array with non-local interactions in a cavity is introduced. A control system to precisely time the electrical and optical signals for manipulations of the atoms is necessary for an experiment that is state of the art. Two main parts of this experiment are presented in this work: the laser system for the magneto-optical trap (MOT) and the experiment control system. The laser system is needed to create ultracold atoms by optical cooling of Rubidium atoms. The control system is used to coordinate hardware devices for our experiment. To implement the control system, we use the “labscript” framework and for generating the timed control signals an “ADwin-Pro II” device is programmed. Also other devices, like the RF signal generator used to modulate laser beams, are integrated to be used with labscript. The timing of signals in the experiment can by defined precisely with this experiment control system. In addition, we demonstrate to use the control system for the analysis of measurements and the optimization of experiment parameters.