Design and construction of the fundamental tools for single atom experiments

Abstract

Neutral atoms are one of the most promising systems for quantum information and quantum engineering, in general. Full and efficient control over cold atoms and their interactions with light has been a challenging and exciting task, especially for quantum information and engineering. These systems can now be integrated successfully into the applications like the implementation of a quantum internet, simulation, and experiments involving nonlinear single-photons. Rubidium atoms provide a playground for atomic physics experiments and applications since it has accessible atomic transition and a readily available two-level system. In order to manipulate single 87Rb atoms, experimental tools should be meticulously prepared. Since the atomic quantum states are delicate and fragile, their interaction with light should be handled with care. For the manipulation of these atoms, low linewidth stable laser systems should be constructed to provide an efficient and effective solution. To achieve the required stability, the external-cavity diode laser (ECDL) and frequency modulation (FM) spectroscopy setups are constructed to obtain the low-linewidth, high-stability laser source. Alongside the laser setup, an ultra-high vacuum (UHV) setup is constructed and up to a 2.5 × e−10 mbar vacuum level is obtained. To reach ultra-high vacuum levels, additional baking is performed and Rb atom source is mounted to be readily used. UHV setup is required to minimize the background collisions and decrease the environmental disturbances from the targeted atomic system. Lastly, optical cavities that will be used to manipulate single atoms are computationally studied in this thesis. Although the strong focusing cavities are used to achieve high coupling strength, they come with several disadvantages. Since they are on the edge of the stability diagram, higher-order mode excitation is dominant for the cases where focusing strength is the highest. Therefore, knowing the mode structure is important for those regimes to have a complete understanding of these devices. Together with laser and UHV setups, optical cavities are the complementary part of most single-atom experiments.

Nötr atomlar, genel olarak kuantum bilişim ve kuantum mühendisliği için en umut verici sistemlerden biridir. Soğuk atomlar ve bunların ışıkla etkileşimleri üzerinde tam ve verimli kontrol sağlanması, özellikle kuantum bilişim ve mühendisliği için zorlu ve heyecan verici bir görev olmuştur. Bu sistemler artık kuantum internet uygulamaları, kuantum simülasyon ve doğrusal olmayan tek fotonları içeren deneyler gibi uygulamalara başarıyla entegre edilebilir. Rubidyum atomları, erişilebilir atomik geçişe ve hazır iki seviyeli bir sisteme sahip olmaları sebebiyle, atom fiziği deneyleri ve uygulamaları için bir "oyun alanı" sağlar. Atomik kuantum durumları hassas ve kırılgan olduğundan, ışıkla etkileşimleri dikkatle ele alınmalıdır ve bu sebeple 87Rb atomlarını manipüle etmek için kullanılacak olan deneysel araçlar titizlikle hazırlanmalıdır. Bu atomların manipülasyonunda, verimli ve etkili bir çözüm sağlamak için düşük bant genişliğine sahip stabil lazer sistemleri kurulmalıdır. Gerekli kararlılığı elde etmek için, dış ayna lazer sistemi (ECDL) ve frekans modülasyonlu (FM) spektroskopi düzenekleri oluşturulmuştur. Lazer kurulumunun yanı sıra ultra yüksek vakum düzeneği (UHV) kurulumu yapılmış ve 2.5×e−10 mbar basınç değeri elde edilmiştir. Ultra yüksek vakum seviyelerine ulaşmak için vakum düzeneğinin ısıtılması gerekmektedir. Isıtma işleminin tamamlanmasıyla birlikte rubidyum kaynağı olarak kullanılacak olan Rb dağıtıcıları düzeneğe entegre edilerek bağlanmış ve hazır duruma getirilmiştir. Rb atomlarının maruz kaldığı çarpışmaları minimuma indirmek için UHV düzeneği kurulumu son derece önem arz etmektedir. Son olarak, bu tezde tek atomları manipüle etmek için kullanılacak optik kaviteler incelenmiştir. Yüksek odaklı optik kaviteler, yüksek eşlenme gücü elde etmek için kullanılsa da, çeşitli dezavantajları beraberinde getirirler. Stabilite diyagramının kenarında oldukları için, odaklanma kuvvetinin en yüksek olduğu durumlarda daha yüksek mertebeden mod uyarımı dominant hale gelmektedir. Bu nedenle, yüksek odaklama gücüne sahip optik kavitelerin mod yapısını bilmek, bu cihazları tam olarak anlamak için son derece önem arz etmektedir. Lazer ve UHV düzeneği kurulumlarıyla birlikte optik kaviteler, tek-atom deneylerinin tamamlayıcı parçalarıdırlar.