Coherent Processes in Rare-Earth-Ion-Doped Solids

Abstract

This thesis describes a number of coherent processes, such as quantum information processing, superradiance and electromagnetically induced transparency, which have been experimentally implemented using rare-earth-ion-doped crystals.

The rare-earths are a class of elements that have in common, an atomic structure that allows for very long lifetimes as well as coherence times, both on optical transitions and on spin transitions. These ions can be naturally trapped inside host crystals, and with the phonon vibrations removed by cooling down to cryogenic temperatures (< 4 K), they can be used for a number of different quantum information processes. Most experiments were carried out using PrYSO, but also other crystal types were investigated, such as Nd:YVO4, and La2(WO4)3. The characterization of the ions were done with a variety of methods, including among others, photon echo techniques and electromagnetically induced transparency.

Quantum computing is a rapidly growing field and there are still many potential candidates for its implementation. In our work we have utilized the spin states of the Pr rare-earth ion as a qubit, and demonstrated arbitrary single qubit gates, which are important pieces towards a quantum computing realization in these systems. Most of the experimental work done for the thesis was carried out using an ensemble approach, that has the advantage of giving a strong readout signal, but for future scaling to multiple qubits, single instances are more promising, which is discussed.

Quantum memories are crucial components in applications such as quantum networks and long distance quantum communication. In this thesis, work has been done to investigate how quantum memories can be implemented in rare-earth crystals. In particular, there are two protocols, CRIB and AFC, which were suggested with rare-earth crystals directly in mind, and both of these require high optical depth, for maximum recall efficiency. In this thesis, implications of being in the high optical depth regime, with phenomena such as superradiance, a collective effect that could cause the stored light to be immediately reemitted, and slow light effects that come from performing the storage inside spectrally structured materials, were investigated.

In order to carry out the phase-sensitive experiments, a laser system with a very narrow linewidth of ~1 kHz at 606 nm was constructed, by locking the laser to a semi-persistent spectral hole. In addition, many experiments required advanced pulse shapes, such as complex sechyp pulses or pulses obtained from optimal control theory. In order to be able to accurately create such shapes, an elaborate system using an arbitrary waveform generator and two well calibrated AOMs, controlled from a computer, was also built.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Målet avhandlingen har varit att undersöka möjligheten att bygga en kvantdator i kristaller dopade med joner av sällsynta jordartsmetaller. Det har visat sig att sådana joner har en väldigt lång livstid, vilket är en förutsättning för de typer av experiment som har utförts i den här avhandlingen. För att ytterliggare förhindra att de känsliga tillstånden i jonerna störs, så har kristallerna kylts ner till ungefär -271 grader C (bara 2 grader över absoluta nollpunkten), med hjälp av en kryostat som använder flytande helium. Innan experimenten kunde påbörjas, var det även nödvändigt att bygga en laser med en väldigt stabil frekvens (färg på ljuset). Man kan säga att, för att kvantdatorexperimenten skulle lyckas var det tvunget att hålla frekensen hos lasern stabil ner till 12:e decimalen, vilket kräver en väldigt hög grad av kontroll på lasersystemet.



En kvantdator är en slags dator som är begränsad endast av de kvantmekaniska spelreglerna, vilket betyder att den löser uppgifter på ett helt annat sätt än en klassisk dator, och därför har potential att bli mycket kraftfullare. Den minsta informationsenheten i en klassisk dator är en bit, vilken kan vara antingen 1 eller 0. En motsvarande kvantbit kan också vara 1 eller 0, men med den skillnaden att den kan, med en viss sannolikhet, också vara i båda tillstånden samtidigt! Detta är ett så kallat superpositionstillstånd, och med hjälp av dessa kan man få en kvantdator att lösa vissa typer av uppgifter på flera olika sätt samtidigt. Detta är en av de egenskaper som gör den potentiellt kraftfullare än en vanlig klassisk dator.



Kvantdatorfältet är fortfarande ungt. Ingen har lyckats få mer än några få kvantbitar att samverka, och det finns en mängd olösta frågor angående hur man kan skala upp det till att innehålla så många kvantbitar att den kan börja lösa stora problem. Det är därför fortfarande viktigt att ständigt söka efter nya möjligheter, och nya sätt att bygga kvantbitarna på, så att något sätt i framtiden lyckas bli skalbart. I våra experiment har vi lyckats visa att joner från de sällsynta jordartsmetallerna kan erbjuda sådana intressanta möjligheter. Vi visade detta genom att fullständigt karatärisera en kvantbit i en sådan jon, där enskilda elektrontillstånd används som 1 eller 0. Vi visade även att man med hjälp av noggrant kalibrerade ljuspulser från den stabiliserade lasern, kan utföra grindoperationer på kvantbiten, som t. ex. NOT-grinden, men vi utförde även mer avancerade grindar som endast finns i en kvantdator.



På vägen mot realiserandet av en kvantdator har även ett antal andra koherenta processer, som också bygger på de kvantmekaniska reglerna, stötts på. Dessa innefattar bland annat så kallad superradians, vilket är en process där många atomer samverkar kvantmekaniskt på ett sådant sätt att när atomerna skickar ut ljus (deexciteras) så gör de det mycket snabbare än atomerna skulle ha gjort om de hade varit ensamma. Andra intressanta fenomen som påträffades var långsamt och snabbt ljus. Genom att manipulera atomer med olika frekvens på olika sätt kan man nämligen skapa förhållanden där en ljuspuls som skickas genom materialet går mycket långsammare eller mycket snabbare än den vanliga ljushastigheten. Under tillräckligt extrema förhållanden kan man till och med få toppen på en ljuspuls att komma ut ur materialet innan den ens har kommit in! Detta innebär inte ett brott mot relativitetsteorin eller mot kausaliteten, utan betyder istället att man måste vara noggrann med hur man definierar informationsinnehållet i en puls.

• author: Walther, Andreas
• supervisor: Stefan Kröll
• opponent: Prof. Wunderlich, Christof, Universität Siegen
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2009
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: quantum memories, laser stabilization, quantum computation, rare-earth-ion-doped crystals, spectral hole-burning, superradiance, entanglement, spectroscopy, slow light
• pages: 193 pages
• defense location: Lecture hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2009-03-20 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-7718-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f204f6d2-a5a6-419f-8eef-6d58eaccec25 (old id 1300770)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:05:48
• date last changed: 2018-11-21 20:12:13