Coherent Interactions in Rare-Earth-Ion-Doped Crystals for Applications in Quantum Information Science

Abstract

This thesis describes investigations of the use of cryogenically cooled rare-earth-ion-doped crystals for quantum information processing and quantum optics. Several aspects of the coherent interaction between light and rare-earth ions in solids are addressed.



Quantum information science has given physicists new views of quantum mechanics. The transmission of quantum states has already found practical use and full scale quantum computers may one day perform computations and simulations that would be impossible on a conventional computer. The work presented in this thesis can be seen as a part of a broad effort to learn how to control and manipulate quantum mechanical systems, which will become necessary as science and technology continue to push ever deeper into the nanoscopic world. Coherent radiation, such as laser light, provides us with an ideal tool for these investigations and, along the way, we may also learn more about the quantum nature of light.



Rare-earth ions in inorganic crystals have several unusual properties that are interesting for applications within quantum information science, including long coherence times and long-lived ground state sublevels that can be used for storage of quantum and classical information. As part of the work presented in this thesis, new materials have been investigated with respect to these properties, and ways to enhance the useful properties of the materials were explored. In one investigation, the lifetime of information stored in the ground state population distribution of Tm3 ions in YAG was shown to increase by several orders of magnitude with the application of a magnetic field.



It is demonstrated how the optical inhomogeneous absorption profile can be prepared, so that the light only interacts with a selected group of ions, absorbing on a specific transition. Narrow absorbing structures, with widths approaching the optical homogeneous linewidth, have been prepared with no absorption in the surrounding spectral interval. This thesis addresses the use of such structures as hardware for quantum bits.



Tailored pulses, capable of inducing controlled changes in the quantum states of the ions (qubits), even in the presence of unknown variations of coupling strengths and frequencies, have been realised experimentally and used for multiple transfer of ions between energy levels.



Ion-ion interactions, which can be used for performing quantum logic operations, have been investigated in some detail. Techniques for selecting strongly interacting ions, by transferring weakly interacting ions to auxiliary states, have been demonstrated.



A scheme for storing the quantum state of light in a solid, using photon-echo-like techniques, is proposed and analysed. In the proposed scheme, an optical wave packet is absorbed and subsequently re-emitted by an inhomogeneous absorption profile, which is tailored and externally controlled by the application of an electric field



Additionally, an accumulated photon echo experiment has been performed using faint optical pulses. The experiment can be viewed as a demonstration of delayed self-interference of a single photon and as a demonstration of how a single photon can act as two of the fields in a photon echo process.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den här avhandlingen handlar om hur kristaller, som innehåller en liten mängd av ämnen tillhörande gruppen sällsynta jordartsmetaller, kan användas för forskning och tillämpningar rörande kvantinformation. Genom att belysa kristallerna med laserljus kan atomernas tillstånd styras och studeras. I avhandlingen diskuteras olika aspekter av hur de sällsynta jordartsatomer som förts in i kristallerna påverkas av laserljus.



En stor del av arbetet som beskrivs har varit inriktat på att undersöka hur materialen kan användas som hårdvara i en kvantdator. Kvantdatorer har fått stor uppmärksamhet eftersom det har visats att de kan lösa problem som i praktiken är olösliga på vanliga datorer och eftersom de kan komma att ändra vår förståelse av informationsbehandling. Kvantdatorer kan till exempel komma att användas för att dechiffrera koder som idag anses olösliga. Relaterade tekniker, som också utnyttjar kvantinformation, kan å andra sidan användas för att överföra eller lagra information på ett sätt som gör det omöjligt att avlyssna eller kopiera informationen utan att det upptäcks.



I en kvantdator utnyttjas kvantmekaniska fenomen, vilka framträder tydligast i mycket små system, t.ex. i atomer, och som kan te sig mycket främmande jämfört med de fenomen vi upplever i vår vardag. I en kvantdator kan till exempel en partikel befinna sig i två olika tillstånd samtidigt, eller snarare i en överlagring av två tillstånd. Därför kan bitarna i en kvantdator, kvantbitarna, vara i både tillståndet 1 och tillståndet 0 samtidigt, till skillnad från bitarna i en vanlig dator som måste vara antingen 1 eller 0. Två bitar ger, i både kvantdatorn och en vanlig dator, fyra kombinationer 00, 01, 10 och 11, men i kvantdatorn kan man välja att ha en blandning av de olika kombinationerna som indata för en beräkning. På så sätt kan kvantdatorn genomföra ett stort antal beräkningsalternativ samtidigt och ge ett resultat som beror på alla dessa.



Byggandet av kvantdatorer befinner sig fortfarande på experimentstadiet och ett antal tekniker för att bygga en kvantdator undersöks idag, var och en med olika fördelar och nackdelar. Teknikutvecklingen för hela tiden kvantmekanikens värld allt närmre vår vardagliga värld och kvantmekaniska effekter får allt större betydelse för t.ex. mikro-elektronik och halvledarindustrin. Forskning kring kvantdatorer och kvantinformation kan få betydelse eftersom man inom detta fält på ett strukturerat sätt söker efter metoder för att styra kvantmekaniska system.



De material som använts i denna avhandlig, dvs kristaller i vilka en liten mängd sällsynta jordartsmetaller förts in, har flera egenskaper som gör dem interesanta att använda för att behandla kvantinformation. När kristallen kyls ned till låga temperaturer störs de införda atomerna mycket lite av omgivningen, vilket gör att de kan befinna sig i en kvantmekanisk överlagring av tillstånd under lång tid. Atomerna absorberar ljus vid olika våglängder (olika färger) och genom att skicka in laserljus med rätt våglängd i kristallen kan man välja vilka atomer man vill påverka.



De idéer som undersökts experimentellt i denna avhandling går ut på att använda de atomer som förts in i kristallerna som kvantbitar, där olika energitillstånd får representera talen 1 och 0 och där atomerna kan kontrolleras genom att ljus skickas genom kristallen. Eftersom atomerna absorberar ljus vid ett stort antal olika våglängder kan man ha många kvantbitar, som adresseras genom med hjälp av laserljus med motsvarande våglängder. Kvantbitarna (atomerna) kan även påverka varandra, genom en lättkontrollerad mekanism, vilket är en förutsättning för kvantdatorer. De tekniker som utvecklats går ut på att preparera materialen för att få att en uppsättning kvantbitar, på vilka enkla kvantdator-operationer kan testas.



Inom ramen för denna avhandling har mekanismen för påverkan mellan kvantbitarna studerats och metoder för att välja ut vilka atomer som skall utgöra en kvantbit har utvecklats. I avhandlingen visas hur elementära kvantdatoroperationer kan genomföras även när det finns systematiska fel, t.ex. om laserljusets intensitet varierar eller om ljusets våglängd inte stämmer exakt med den våglängd som atomerna i en kvantbit absorberar.



I avhandlingen presenteras också ett experiment där enskilda fotoner (ljuspartiklar) skickats in i en kristall där de absorberats. Ljuset delades upp så att varje foton kunde gå två olika vägar till kristallen. Efter att många enskilda fotoner skickats in i materialet var det möjligt att få information om tidsskillnaden mellan de två möjliga vägarna, trots att en direkt mätning skulle visat att fotonerna antingen gått den ena vägen eller den andra, men aldrig båda. Experimentet kan tolkas som att varje foton interfererar med en tidsfördröjd del av sig själv.



I avhandlingsarbetet har också ingått sökande efter nya material av samma typ, med egenskaper som är ännu bättre lämpade för den typ av försök som gjorts. Undersökningar av egenskaperna hos ett nytt material presenteras, samt även försök där ett material av denna typ placerats i ett starkt magnetfält. Magnetfältet gav upphov till en mekansim för långtidslagring av information i kristallen, vilket kan vara användbart för optisk datalagring och databehandling.



Slutligen presenteras i avhandlingen också ett förslag på hur kristaller innehållande små mängder sällsynta jordartsatomer kan användas för att tillfälligt lagra tillståndet hos en svag ljuspuls. Den föreslagna metoden kan användas för att lagra tillståndet hos ljus även i andra material där det går att styra så att olika atomer absorberar ljus på olika våglängder.



Avhandlingen består av två delar. I den första delen (kapitel 1-8) ges en bakgrund till den forskning som presenterats i artiklarna i den andra delen. Den första delen innehåller också en del diskussioner och material som inte inkluderats i artiklarna. Den andra delen av avhandlingen (Paper I-VII) innehåller de vetenskapliga publikationer som ligger till grund för avhandlingen.

• author: Nilsson, Mattias
• supervisor: Stefan Kröll
• opponent: Professor Schmiedmayer, Jörg, Physikalishes Institut, Universität Heidelberg
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: quantum optics, relaxation, magnetic resonance, supraconductors, magnetic and optical properties, electrical, Condensed matter:electronic structure, Atom- och molekylärfysik, optical information processing, coherence in solids, Atomic and molecular physics, rare-earth-ion-doped crystals, magnetisk resonans, spektroskopi, supraledare, magnetiska och optiska), egenskaper (elektriska, Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur, spectroscopy, quantum information
• in: Lund Reports in Atomic Physics
• volume: LRAP-333
• pages: 222 pages
• defense location: Sal F, Fysiska Institutionen, Lund
• defense date: 2005-01-21 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 91-628-6377-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 621b2200-b58b-43a0-8b8f-f9be60a37ce2 (old id 544192)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:17:51
• date last changed: 2019-05-21 17:55:59