Interfacing trapped ions and plasmonic particles with optical nanofibers

Abstract

Der technische Fortschritt in den letzten Jahrzehnten lässt sich gut durch eine Beobachtung von Gordon E. Moore, Mitgründer der Intel Corporation, beschreiben. Vor etwa 50 Jahren konstatierte er, dass sich die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltungen alle zwei Jahre in etwa verdoppelt und noch heute bestätigen sich diese Vorhersagen des sogenannten Moore-schen Gesetzes. Da jedoch die Größe der heutigen Transistoren mittlerweile in atomare Dimensionen vorstößt, droht die rasante Entwicklung der Informationsverarbeitung an ihre Grenzen zu stoßen. Um die Geschwindigkeiten mit der Informationen verarbeitet werden können weiter zu steigern, sind fundamental neue Konzepte in der Informationstechnologie unabdingbar. Eine herausragende Idee ist es, quantenmechanische Phänomene zu nutzen um Daten zu speichern und zu verarbeiten. Ein solcher Quantencomputer könnte gewisse Probleme deutlich schneller lösen als sein klassisches Gegenstück. Eines der vielversprechendsten Konzepte hierbei basiert auf dem Fangen von aneinandergereihten einzelnen Ionen, mit Hilfe derer Langzeitspeicherung von Quanteninformationen sowie Quantengatter hoher Genauigkeit bereits realisiert werden konnten. Sowohl das Auslesen der Ionenzustände, als auch die Skalierbarkeit hin zu größeren Ionenzahlen, sind jedoch ein Problem. Die Integration von optischen Nanofasern mit Durchmessern im Subwellenlängenbereich, die wiederum Teil einer verjüngten konventionellen optischen Faser sind, könnte diese Hindernisse bewältigen. Da, in unmittelbarer Nähe zur Nanofaseroberfläche die Licht-Materie Wechselwirkungen sehr stark sind, sollte es möglich sein, Nanofasern für eine effiziente Übertragung der Quanteninformationen zwischen entfernten Ionen zu nutzen. Um eine solche Ionen-Nanofaser Schnittstelle zu realisieren müssen die Ionen allerdings wenige hundert Nanometer entfernt von der Faseroberfläche gefangen werden. Unglücklicher Weise führt dies dazu, dass parasitäre elektrische Ladungen auf der Nanofaseroberfläche eine Speicherung aufgrund der resultierenden Coulombkräfte unmöglich machen. Die Nanofaser muss folgerichtig eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, ohne jedoch ihre exzellenten optischen Eigenschaften (d.h. hohe Transmission und starkes evaneszentes Feld) zu verlieren. Die vorliegende Doktorarbeit untersucht mehrere experimentelle Herangehensweisen um eine solche Faser herzustellen. Obwohl mit den verfügbaren Techniken eine hohe Leitfähigkeit in Verbindung mit der Erhaltung der optischen Eigenschaften der Nanofaser nicht realisiert werden konnten, präsentiert diese Arbeit klare Handlungsmöglichkeiten um dieses Regime zu erreichen. Ein weiteres neuartiges Konzept um die Informationsverarbeitung voranzutreiben ist der optische Computer, der größtenteils mit optischen Elementen arbeitet. Auf diese Weise könnte es möglich sein sowohl höhere Datenraten als auch geringere Heizraten, im Vergleich zu den heutzutage gängigen elektrischen Komponenten, zu erreichen. Ein wichtiges Element einer optischen Informationsverarbeitung ist ein Router, mit dem sich die Propagationsrichtung des Lichts in nanophotonischen Wellenleitern kontrollieren lässt. In dieser Arbeit wird die Umsetzung eines solchen Elements präsentiert. Dieser Nanorouter nutzt dabei den Effekt aus, dass das geführte Licht in einer Nanofaser stark komprimiert ist und aufgrund von starker longitudinaler Polarisationskomponenten nicht mehr als transversales elektromagnetisches Feld beschrieben werden kann. Durch das Positionieren eines einzelnen Gold-Nanoteilchens auf einer optischen Nanofaser, lässt sich dieser Effekt nutzen, und es wird gezeigt, dass sich, mit Hilfe der Polarisation eines externen Anregungslichts, die Richtung kontrollieren lässt in die das Licht vom Nanoteilchen in die Faser gestreut wird. Diese Methode hat großes Potential für die künftige Entwicklung integrierter, optischer Schaltungen und - unter Verwendung eines Quantenemitters (z.B. eines Atoms) anstelle des Nanoteilchens - kann es direkt erweitert werden auf quantenmechanische Schaltungen und quantenmechanische Informationsverarbeitung.

The technological progress in the last decades is well described by an observation Gordon E. Moore, co-founder of Intel Corporation, made about 50 years ago, where he stated that the number of transistors on integrated circuits doubles approximately every two years. Until 2014, Moore-s Law still proves to be accurate; however, the size of transistors is already close to atomic dimensions and growth in conventional information processing, where speed is concerned, will soon come to a halt. Thus, to ensure an ongoing progress, fundamentally new concepts for information processing are indispensable. One prominent idea is to make use of quantum-mechanical phenomena to store and process data. Such a quantum computer promises to solve certain problems much quicker than its classical counterpart. An interesting approach towards the realization of quantum information processing is based on chains of individually trapped ions, where long term quantum information storage and high fidelity quantum gates have been demonstrated. However, ion state read-out and the scalability to larger ion numbers remains problematic. The integration of a sub-wavelength diameter optical nanofiber as part of a tapered optical fiber could overcome these obstacles because the strong light-matter coupling near the nanofiber surface would allow for efficient transfer of quantum information between distant ions. In order to realize such an ion-nanofiber interface, ions have to be trapped in close vicinity (i.e. sub-wavelength distance) of the nanofiber. Unfortunately, in this case, the ions are subject to coulomb forces from parasitic charges on the fiber, which renders stable trapping impossible. As a consequence, one requires the nanofiber to exhibit a sufficient conductivity, while maintaining its excellent optical properties (i.e. high transmission and strong evanescent field). The thesis at hand investigates experimental approaches towards this goal. While, with the techniques available, sufficiently conductive nanofibers could only be realized in conjunction with a small transmission, this work provides a clear course of actions to reach this regime. Another novel concept to advance information processing is optical computing. By using light to compute and to transfer information, as opposed to traditional electron-based computation, higher data rates and lower heating rates can be reached. A key ingredient in this approach is an optical switch that controls the direction of propagation of light in nanophotonic waveguides. In this work, the implementation of a nanoscale optical switch is demonstrated. The underlying mechanism that is exploited is called spin-orbit interaction of light. Due to the strong confinement of nanofiber guided light, its electromagnetic field can no longer be described as a transverse wave because strong longitudinal polarization components occur. By positioning a gold nanoparticle on an optical nanofiber this effect is utilized to demonstrate that the polarization of an external excitation light field controls the propagation direction of the light that is scattered into the waveguide by the nanoparticle. This method has great potential for integrated optical information processing and - using a quantum emitter (e.g. an atom) instead of a nanoparticle - it can be directly extended to quantum mechanical routing and quantum information processing.