Toward a quantum switch for light

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die unternommenen Schritte hin zur Realisierung eines quantenmechanischen Schalters für Licht. Ein solcher Apparat schaltet Licht zwischen zwei Ausgängen hin und her, in Abhängigkeit vom Zustand eines einzelnen Quantensystems, wir z.B. eines einzelnen Atoms. Die Realisierung eines solchen Schalters in unserem Experiment basiert auf der Resonator-Quantenelektrodynamik, wobei wir einzelne Atome, aus einem Springbrunnen, stark an einen Flüstergaleriemoden-Flaschenresonators koppeln. Mit Hilfe einer Nanofaser die an das evaneszente Feld des Resonators koppelt, können wir dabei auf das Atom-Resonator System zugreifen und dieses untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Untersuchung der Atom-Resonator-Wechselwirkung vorgestellt, welche darauf beruht, dass ein an den Resonator gekoppeltes Atom großen Einfluss auf die Polarisation des durch die Nanofaser transmittieren Lichts hat. Mit Hilfe dieses Effekts kann die Polarisation des Lichts das durch die Faser läuft gedreht werden. Erste Messungen zeigen eine Drehung der Polarisation um einen Winkle von 65 Grad wenn ein Atom an den Resonator koppelt, im Vergleich zum Fall ohne Atom. Diese Ergebnisse demonstrieren die erste experimentelle Realisierung eines Polarisationsschalters, der von einem einzelnen Atom gesteuert wird. Um quantenmechanisches Schalten möglich zu machen, müssen wir den atomaren Zustand kontrollieren können. Dafür wurde ein Aufbau zur ultraschnellen Zustandsmanipulation, basierend auf akustooptische Modulatoren, entwickelt. Dieser schaltet Licht mit dem wir die Atome treiben wollen mit einer Verzögerung von nur einigen hundert Nanosekunden. Gleichzeitig weist das Setup eine hohe Unterdrückung des Lichts im ausgeschalteten Zustand auf, die benötigt wird weil wir Atome über die Resonator Moden treiben wollen. Mit den im Laufe dieser Arbeit entwickelten Komponenten steht nun alles für die Realisierung des quantenmechanischen Switch zur Verfügung.

This thesis describes the resent steps toward the realization of a quantum switch for light. In such a switch, the internal state of a quantum system, i.g. a single atom, routes the incoming light fi eld into one of two possible output states. In our experiment this is realized in the regime of cavity quantum electrodynamics, by strongly coupling a single atom delivered by an atomic fountain to our bottle microresonator, a novel type of whispering-gallery-mode resonators. This atom-resonator system is interrogated by a tapered nano fiber in the vicinity of the evanescent fi eld of the resonator. In this thesis a new atom-resonator examination scheme is developed, based on the fact that an atom coupled to a resonator signi cantly changes the polarization of the light transmitted by the coupling ber. First measurements show that the presence of the atom rotates the polarization by 65 degree compared to the case when no atom couples. This demonstrates a first realization of an optical polarization switch controlled by a single atom. To implement quantum switching capability we have to perform coherent manipulations on the switch, i.e. the atom. For this purpose an ultrafast atomic state manipulation setup based on acousto-optical modulators was designed. This setup is capable of delivering light to the atom via the resonator on command with a delay of approximately 100 nanoseconds and at the same time provides an on/off extinction ratio of more than ten orders of magnitude, which is required by our experiment. The work presented in this thesis completes the tool set required for realizing and demonstrating the basic functionality of a quantum switch for light.