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A Rydberg tweezer platform with potassium atoms
A Rydberg tweezer platform with potassium atoms
Quantum simulation offers the possibility to study quantum mechanical problems which are untraceable on classical computers. This thesis introduces a novel platform for quantum simulation and presents the first experimental realisation of single potassium atoms trapped in optical tweezers. Interactions between individual atoms are induced by strong energy shifts of atoms excited to states with large principal quantum number, so-called Rydberg states. Either direct excitation to Rydberg states or off-resonant dressing can be used to induce these interactions. We argue that potassium is well-suited for the implementation of Rydberg dressing, enabling simultaneous dressing of both ground states to engineer complex interactions. Using techniques to cool and trap cold atoms, single potassium atoms are prepared in arrays of optical tweezers. Raman sideband cooling reduces vibrational excitations and prepares the atoms close to the motional ground state. This cooling technique mitigates severe limitations for Rydberg dressing, arising from thermal broadening and inhomogeneous light shifts in the array of atoms. To directly excite atoms to Rydberg states, a high power laser setup with two cavity-enhanced frequency doubling stages is constructed, generating up to one Watt of ulta-violet light at 286 nm. By exciting atoms to Rydberg states we observe Rabi oscillations with Rabi frequencies of up to 1 MHz, demonstrating coherent control of Rydberg atoms. Finally, we combine these techniques to observe interactions in two ways: First, we create a so-called superatom of up to four individual atoms using direct excitation and Rydberg-blockade and observe coherent oscillations to this collective state. We measure the expected square root scaling of the effective Rabi frequency with the number of individual atoms, confirming the creation of a many-body entangled state. Secondly, we off-resonantly dress the atoms prepared in a one-dimensional chain and measure correlated interaction shifts over multiple sites. In summary, we have developed a platform for quantum simulation with single atoms in optical tweezers. The presented results show coherent control of single atoms and interactions induced by Rydberg states. We have thus demonstrated that the system is well-suited for quantum simulation of many-body systems., Quantensimulationen bieten die Möglichkeit quantenmechanische Probleme zu untersuchen, welche auf klassischen Computern nicht berechenbar sind. Diese Arbeit stellt eine neue Plattform für Quantensimulationen vor und präsentiert die erste experimentelle Realisierung einzelner Kaliumatome in optischen Dipolfallen. Wechselwirkungen zwischen einzelnen neutralen Atomen werden durch die starken Energieverschiebungen von Zuständen mit großer Hauptquantenzahl verursacht, sogenannte Rydberg-Zustände. Wechselwirkungen können dabei entweder durch eine direkte Anregung in Rydberg-Zustände oder eine verstimmte optische Kopplung, so genanntes 'Rydberg dressing', erzeugt werden. Wir begründen, warum insbesondere Kalium für die Implementierung von 'Rydberg dressing' geeignet ist und insbesondere durch das gleichzeitige Koppeln beider Grundzustände das Erzeugen komplexer Wechselwirkungen ermöglicht. Kaliumatome werden mittels Laserkühlung abgebremst, gefangen und anschließend werden einzelne Atome in optischen Dipolfallen geladen. Zudem reduziert Raman Seitenbandkühlung die Schwingungsanregungen in den Fallenpotentialen und kühlt die Atome fast zum Bewegungsgrundzustand. Diese Kühltechnik ermöglicht 'Rydberg dressing', welches ansonsten durch thermische Verbreiterung und inhomogenen Fallenpotentiale limitiert wäre. Um Atome direkt in Rydberg-Zustände anzuregen, wird ein Lasersystem mit zwei resonanten Frequenz Verdopplungsstufen aufgebaut, mit welchem bis zu einem Watt ultravioletten Lichts bei 286 nm erzeugt wird. Durch Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände beobachten wir Rabi-Oszillationen mit Rabi-Frequenzen von bis zu 1 MHz, was eine kohärente Kontrolle der Rydberg-Atome demonstriert. Zuletzt kombinieren wir diese Techniken, um Wechselwirkungen auf zwei verschiedene Arten zu beobachten: Erstens erzeugen wir durch direkte Anregung und Rydberg-Blockade ein sogenanntes 'Superatom' aus bis zu vier einzelnen Atomen und beobachten kohärente Oszillationen zu diesem kollektiven Zustand. Wir messen die erwartete Skalierung der effektiven Rabi-Frequenz mit der Wurzel der Anzahl der Atome und bestätigen die Erzeugung eines Quantenverschränkten Zustands. Zweitens induzieren wir Wechselwirkungen zwischen Atomen durch optische Beimischung mittels 'Rydberg dressing', die in einer eindimensionalen Kette optischer Dipolfallen gefangen wurden und messen korrelierte Wechselwirkungen über Distanzen von mehreren Fallenplätzen. Zusammenfassend haben wir eine Plattform für die Quantensimulation mittels einzelner Atome in optischen Dipolfallen entwickelt. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen eine kohärente Kontrolle einzelner Atome und Wechselwirkungen, die durch Rydberg-Zustände induziert werden. Wir zeigen damit, dass das System für die Quantensimulation von Vielkörpersystemen gut geeignet ist.
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Lorenz, Nikolaus
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Lorenz, Nikolaus (2021): A Rydberg tweezer platform with potassium atoms. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Quantum simulation offers the possibility to study quantum mechanical problems which are untraceable on classical computers. This thesis introduces a novel platform for quantum simulation and presents the first experimental realisation of single potassium atoms trapped in optical tweezers. Interactions between individual atoms are induced by strong energy shifts of atoms excited to states with large principal quantum number, so-called Rydberg states. Either direct excitation to Rydberg states or off-resonant dressing can be used to induce these interactions. We argue that potassium is well-suited for the implementation of Rydberg dressing, enabling simultaneous dressing of both ground states to engineer complex interactions. Using techniques to cool and trap cold atoms, single potassium atoms are prepared in arrays of optical tweezers. Raman sideband cooling reduces vibrational excitations and prepares the atoms close to the motional ground state. This cooling technique mitigates severe limitations for Rydberg dressing, arising from thermal broadening and inhomogeneous light shifts in the array of atoms. To directly excite atoms to Rydberg states, a high power laser setup with two cavity-enhanced frequency doubling stages is constructed, generating up to one Watt of ulta-violet light at 286 nm. By exciting atoms to Rydberg states we observe Rabi oscillations with Rabi frequencies of up to 1 MHz, demonstrating coherent control of Rydberg atoms. Finally, we combine these techniques to observe interactions in two ways: First, we create a so-called superatom of up to four individual atoms using direct excitation and Rydberg-blockade and observe coherent oscillations to this collective state. We measure the expected square root scaling of the effective Rabi frequency with the number of individual atoms, confirming the creation of a many-body entangled state. Secondly, we off-resonantly dress the atoms prepared in a one-dimensional chain and measure correlated interaction shifts over multiple sites. In summary, we have developed a platform for quantum simulation with single atoms in optical tweezers. The presented results show coherent control of single atoms and interactions induced by Rydberg states. We have thus demonstrated that the system is well-suited for quantum simulation of many-body systems.

Abstract

Quantensimulationen bieten die Möglichkeit quantenmechanische Probleme zu untersuchen, welche auf klassischen Computern nicht berechenbar sind. Diese Arbeit stellt eine neue Plattform für Quantensimulationen vor und präsentiert die erste experimentelle Realisierung einzelner Kaliumatome in optischen Dipolfallen. Wechselwirkungen zwischen einzelnen neutralen Atomen werden durch die starken Energieverschiebungen von Zuständen mit großer Hauptquantenzahl verursacht, sogenannte Rydberg-Zustände. Wechselwirkungen können dabei entweder durch eine direkte Anregung in Rydberg-Zustände oder eine verstimmte optische Kopplung, so genanntes 'Rydberg dressing', erzeugt werden. Wir begründen, warum insbesondere Kalium für die Implementierung von 'Rydberg dressing' geeignet ist und insbesondere durch das gleichzeitige Koppeln beider Grundzustände das Erzeugen komplexer Wechselwirkungen ermöglicht. Kaliumatome werden mittels Laserkühlung abgebremst, gefangen und anschließend werden einzelne Atome in optischen Dipolfallen geladen. Zudem reduziert Raman Seitenbandkühlung die Schwingungsanregungen in den Fallenpotentialen und kühlt die Atome fast zum Bewegungsgrundzustand. Diese Kühltechnik ermöglicht 'Rydberg dressing', welches ansonsten durch thermische Verbreiterung und inhomogenen Fallenpotentiale limitiert wäre. Um Atome direkt in Rydberg-Zustände anzuregen, wird ein Lasersystem mit zwei resonanten Frequenz Verdopplungsstufen aufgebaut, mit welchem bis zu einem Watt ultravioletten Lichts bei 286 nm erzeugt wird. Durch Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände beobachten wir Rabi-Oszillationen mit Rabi-Frequenzen von bis zu 1 MHz, was eine kohärente Kontrolle der Rydberg-Atome demonstriert. Zuletzt kombinieren wir diese Techniken, um Wechselwirkungen auf zwei verschiedene Arten zu beobachten: Erstens erzeugen wir durch direkte Anregung und Rydberg-Blockade ein sogenanntes 'Superatom' aus bis zu vier einzelnen Atomen und beobachten kohärente Oszillationen zu diesem kollektiven Zustand. Wir messen die erwartete Skalierung der effektiven Rabi-Frequenz mit der Wurzel der Anzahl der Atome und bestätigen die Erzeugung eines Quantenverschränkten Zustands. Zweitens induzieren wir Wechselwirkungen zwischen Atomen durch optische Beimischung mittels 'Rydberg dressing', die in einer eindimensionalen Kette optischer Dipolfallen gefangen wurden und messen korrelierte Wechselwirkungen über Distanzen von mehreren Fallenplätzen. Zusammenfassend haben wir eine Plattform für die Quantensimulation mittels einzelner Atome in optischen Dipolfallen entwickelt. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen eine kohärente Kontrolle einzelner Atome und Wechselwirkungen, die durch Rydberg-Zustände induziert werden. Wir zeigen damit, dass das System für die Quantensimulation von Vielkörpersystemen gut geeignet ist.