Decoherence and fidelity in ion traps with fluctuating trap parameters

We consider two different kinds of fluctuations in an ion trap potential: external fluctuating electrical fields, which cause statistical movement (wobbling) of the ion relative to the center of the trap, and fluctuations of the spring constant, which an due to fluctuations of the ac component of the potential applied in the Paul trap for ions. We write down master equations for both cases and, averaging out the noise, obtain expressions for the heating of the ion. We compare our results to previous results for far-off resonance optical traps and heating in ion traps. The effect of fluctuating external electrical fields for a quantum gate operation (controlled-NOT) is determined and the fidelity for that operation derived. [S1050-2947(99)06005-9].

Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

Systematische Untersuchung von Instabilitäten an lasergekühlten 40 Ca + - Ionen in einer linearen Paulfalle

In linearen Paulfallen gespeicherte und lasergekühlte Ionen stellen in weiten Bereichen der Physik ideale Objekte hinsichtlich störungsfreier und präziser Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und der gezielten Manipulation von Quantenzuständen dar. Eine Einschränkung dieser optimalen Bedingungen erfolgt durch Heizmechanismen, die aus Abweichungen des Speicherpotentials von der idealen Quadrupolform resultieren. Höhere Potentialordnungen führen zu einer Kopplung der radialen Bewegungsmoden und bei bestimmten Speicherparametern zu nichtlinearen Resonanzen. Hierbei werden die Ionenbahnen durch eine Energieaufnahme aus dem Speicherfeld destabilisiert. Dieses kann zu Linienverbreiterungen, einer Limitierung der Kohärenzzeiten und unter Umständen zu einem Ionenverlust führen. Die systematische Untersuchung dieser Instabilitäten in einer linearen Paulfalle erfolgt durch Spektroskopie an einer kleinen Anzahl lasergekühlter ^40Ca^+ - Ionen. Der experimentell zugängliche Speicherbereich wird mit hoher Auflösung abgetastet. Durch eine eingehende Quantifizierung der Falleneigenschaften werden die nichtlinearen Resonanzen eindeutig den erzeugenden Potentialtermen zugeordnet. Die Resonanzlinien zeigen eine charakteristische Aufspaltung, deren Größe vom angelegten Axialpotential bestimmt wird. Diese zusätzliche Kopplung der Radialbewegung an die Axialbewegung führt zu einer modifizierten Resonanzbedingung. Nichtlineare Resonanzen treten massenspezifisch auf. Da eine präzise Kontrolle der Axialpotentiale sehr einfach ist, könnten die beobachteten radial-axial koppelnden Resonanzen eine Anwendung in der Massenspektrometrie finden.

Entwicklung, Aufbau und Charakterisierung eines neuartigen Ionenfallen-Massenspektrometers für Aerosolpartikel (AIMS)

Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiges Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) aufgebaut und umfassend charakterisiert. Mit dem AIMS kann die chemische Zusammensetzung der verdampfbaren Komponente (bei etwa 600 °C) von Aerosolpartikeln quantitativ und on-line bestimmt werden. Die Durchmesser der Teilchen, die analysiert werden können, liegen zwischen etwa 30 und 500 nm. Der experimentelle Aufbau greift auf ein bereits gut charakterisiertes Einlasssystem des Aerodyne Aerosol-Massenspektrometers (AMS) zurück, das einen Partikeleinlass, bestehend aus einer kritischen Düse und einer aerodynamischen Linse, einen Verdampfer für die Aerosolteilchen und eine Elektronenstoß-Ionenquelle enthält. Das kommerzielle AMS verwendet entweder ein lineares Quadrupol-Massenfilter (Q-AMS) oder ein Flugzeit-Massenspektrometer (ToF-AMS). Im AIMS hingegen wird eine dreidimensionale Ionenfalle als Massenanalysator eingesetzt. Dadurch eröffnen sich unter anderem Möglichkeiten zur Durchführung von MSn-Studien und Ionen/Molekül-Reaktionsstudien. Das Massenspektrometer und wichtige Teile der Steuerungselektronik wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entworfen und hergestellt. Das AIMS wird von einem PC und einer Software, die in der Programmiersprache LabVIEW verfasst ist, gesteuert. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das Instrument auch für den Feldeinsatz geeignet. Mit der Software Simion 7.0 wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt. Diese Studien beinhalten Simulationen zur Ermittlung der optimalen Spannungseinstellungen für den Ionentransfer von der Ionenquelle in die Ionenfalle und eine Abschätzung der Sammeleffizienz der Ionenfalle, die gut mit einem gemessenen Wert übereinstimmt. Charakterisierungsstudien zeigen einige instrumentelle Merkmale des AIMS auf. Es wurde beispielsweise ein Massenauflösungsvermögen von 807 für m/z 121 gefunden, wenn eine Analyserate von 1780 amu/s verwendet wird. Wird die Analyserate verringert, dann lässt sich das Massenauflösungsvermögen noch erheblich steigern. Bei m/z 43 kann dann ein Wert von > 1500 erzielt werden, wodurch sich Ionenfragmente wie C2H3O+ (m/z 43.0184) und C3H7+ (m/z 43.0548) voneinander trennen lassen. Der Massenbereich des AIMS lässt sich durch resonante Anregung erweitern; dies wurde bis zu einer Masse von 1000 amu getestet. Kalibrationsmessungen mit laborgenerierten Partikeln zeigen eine hervorragende Linearität zwischen gemessenen Signalstärken und erzeugten Aerosol-Massenkonzentrationen. Diese Studien belegen im Zusammenhang mit den gefundenen Nachweisgrenzen von Nitrat (0.16 μg/m³) und Sulfat (0.65 μg/m³) aus Aerosolpartikeln, dass das AIMS für quantitative Messungen von atmosphärischem Aerosol geeignet ist. Ein Vergleich zwischen dem AIMS und dem Q-AMS für Nitrat in städtischem Aerosol zeigt eine gute Übereinstimmung der gefundenen Messwerte. Für laborgenerierte Polystyren-Latexpartikel wurde eine MS/MS-Studie unter der Anwendung von collision induced dissociation (CID) durchgeführt. Das Verhältnis von Fragmentionen zu Analytionen wurde zu einem Wert von > 60% bestimmt. In der Zukunft können ähnliche MS/MS-Studien auch für atmosphärische Aerosolpartikel angewandt werden, wodurch sich neue Perspektiven für die Speziation von Aerosolbestandteilen eröffnen. Dann sollen vor allem Kondensationsprozesse, das heißt die Bildung von sekundärem Aerosol, detailliert untersucht werden.

Nuclear charge radius determination of 7,10 Be and the one-neutron halo nucleus 11 Be

The only nuclear model independent method for the determination of nuclear charge radii of short-lived radioactive isotopes is the measurement of the isotope shift. For light elements (Z < 10) extremely high accuracy in experiment and theory is required and was only reached for He and Li so far. The nuclear charge radii of the lightest elements are of great interest because they have isotopes which exhibit so-called halo nuclei. Those nuclei are characterized by a a very exotic nuclear structure: They have a compact core and an area of less dense nuclear matter that extends far from this core. Examples for halo nuclei are 6^He, 8^He, 11^Li and 11^Be that is investigated in this thesis. Furthermore these isotopes are of interest because up to now only for such systems with a few nucleons the nuclear structure can be calculated ab-initio. In the Institut für Kernchemie at the Johannes Gutenberg-Universität Mainz two approaches with different accuracy were developed. The goal of these approaches was the measurement of the isotope shifts between (7,10,11)^Be^+ and 9^Be^+ in the D1 line. The …first approach is laser spectroscopy on laser cooled Be^+ ions that are trapped in a linear Paul trap. The accessible accuracy should be in the order of some 100 kHz. In this thesis two types of linear Paul traps were developed for this purpose. Moreover, the peripheral experimental setup was simulated and constructed. It allows the efficient deceleration of fast ions with an initial energy of 60 keV down to some eV and an effcient transport into the ion trap. For one of the Paul traps the ion trapping could already be demonstrated, while the optical detection of captured 9^Be^+ ions could not be completed, because the development work was delayed by the second approach. The second approach uses the technique of collinear laser spectroscopy that was already applied in the last 30 years for measuring isotope shifts of plenty of heavier isotopes. For light elements (Z < 10), it was so far not possible to reach the accuracy that is required to extract information about nuclear charge radii. The combination of collinear laser spectroscopy with the most modern methods of frequency metrology …finally permitted the …first-time determination of the nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one neutron halo nucleus 11^Be at the COLLAPS experiment at ISOLDE/ CERN. In the course of the work reported in this thesis it was possible to measure the absolute transition frequencies and the isotope shifts in the D1 line for the Be isotopes mentioned above with an accuracy of better than 2 MHz. Combination with the most recent calculations of the mass effect allowed the extraction of the nuclear charge radii of (7,10,11)^Be with an relative accuracy better than 1%. The nuclear charge radius decreases from 7^Be continuously to 10^Be and increases again for 11^Be. This result is compared with predictions of ab-initio nuclear models which reproduce the observed trend. Particularly the "Greens Function Monte Carlo" and the "Fermionic Molecular Dynamic" model show very good agreement.

Das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) : Aufbau, Charakterisierung und Feldeinsatz

Um die in der Atmosphäre ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können, ist es wichtig dort vorhandene Partikel gut charakterisieren zu können. Dazu gehört unter anderem die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Partikel. Zur Analyse insbesondere organischer Partikel wurde dazu in einer früheren Promotion das Aerosol-Ionenfallen-Massenspektrometer (AIMS) entwickelt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um die Charakteristiken des Prototypen zu verbessern sowie es für den Feldeinsatz tauglich zu machen. Die durchgeführten Veränderungen betreffen mechanische und elektrische Komponenten sowie das LabView Steuerungsprogramm. So wurde z.B. die Ionenquelle derart modifiziert, dass die Ionen nicht mehr permanent erzeugt werden, sondern nur innerhalb des Zeitraums wenn sie auch in der Ionenfalle gespeichert werden können. Durch diese Modifikation konnte das Signal-zu-Rausch Verhältnis deutlich verbessert werden. Nach Beendigung der Umbauten wurden in ausführlichen Laborstudien die einzelnen Instrumentenparameter detailliert charakterisiert. Neben den Spannungen die zur Fokussierung oder zur Speicherung der Ionen in der Ionenfalle dienen, wurden die unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung, mittels der die Ionen in der Ionenfalle gezielt zu Schwingungen angeregt werden können, sehr genau untersucht. Durch eine gezielte Kombination der unterschiedlichen Arten der resonanten Anregung ist es möglich MSn-Studien durchzuführen. Nach erfolgreicher Charakterisierung konnte in weiteren Laborstudien die MSn-Fähigkeit des AIMS demonstriert werden. Für Tryptophan (C11H12N2O2) wurde anhand von MS4-Studien ausgehend von m/z 130 ein möglicher Fragmentierungsweg identifiziert. Für die einzelnen Stufen der MS4-Studien wurden die Nachweisgrenzen abgeschätzt. Im Rahmen der PARADE (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) Messkampagne im August/September 2011 auf dem kleinen Feldberg in der Nähe von Frankfurt am Main wurde die Feldtauglichkeit des AIMS demonstriert. Die Nachweisgrenzen liegen für eine Mittelungszeit von 60 Minuten für Organik bei 1,4 µg m-3, für Nitrat bei 0,5 µg m-3 und für Sulfat bei 0,7 µg m-3, was ausreichend ist um atmosphärisches Aerosol messen zu können. Dies ist ein signifikanter Fortschritt im Vergleich zum Prototypen, der aufgrund schlechter Reproduzierbarkeit und Robustheit noch nicht feldtauglich war. Im Vergleich zum HR-ToF-AMS, einem Standard-Aerosolmassenspektrometer, zeigte sich, dass beide Instrumente vergleichbare Trends für die Spezies Nitrat, Sulfat und Organik messen.

Erzeugung vakuumultravioletter Strahlung durch Vierwellenmischen in einer Hohlfaser

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und experimentelle Umsetzung einer kontinuierlichen, kohärenten Lichtquelle im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich um 122 nm präsentiert. Diese basiert auf der nichtlinearen optischen Summenfrequenzmischung dreier Fundamentallaserstrahlen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Hohlfaser. Die Wellenlängen der fundamentalen Laser sind dabei an der Niveaustruktur des Quecksilbers orientiert, um eine mehrfach resonante Überhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität zu erreichen. Der transversale Einschluss der Lichtfelder in der Faser verlängert die Wechselwirkungszone mit dem nichtlinearen Medium um mehrere Größenordnungen gegenüber dem Regime fokussierter Strahlen und erlaubt so signifikante Steigerungen der Mischeffizienz.rnrnIm Zuge dieser Arbeit wurde neben einer umfassenden mathematischen Analyse des nichtlinearen Mischprozesses unter Einfluss der Fasercharakteristika eine Apparatur zur Erzeugung und Detektion vakuumultravioletter Strahlung entwickelt. Die Generierung ausreichend hoher Dampfdichten innerhalb des 50 µm durchmessenden Faserkerns konnten spektroskopisch nachgewiesen werden.rnrnDas erste erfolgreiche Summenfrequenzmischen zu 121,26 nm in der Faser wurde demonstriert. Die erzielten Mischeffizienzen sind bereits mit denen vergleichbar, welche unter Verwendung fokussierter Strahlen erreicht werden, obwohl eine Phasenanpassung in der Faser bisher nicht möglich war. Die Ergebnisse dieser Arbeit markieren damit einen wichtigen Schritt hin zu Leistungssteigerungen kohärenter, kontinuierlicher vakuumultravioletter Lichtquellen.rnrnEine solche Quelle wird für zukünftige Laserkühlung von magnetisch gefangenem Antiwasserstoff auf dem Lyman-Alpha Übergang, sowie die Rydberganregung von Calciumionen in einer Paulfalle zur Implementierung quantenlogischer Operationen benötigt.rnrnFerner hat eine Untersuchung der, für eine effiziente Konversion essentiellen, 6^1S_0 - 7^1S_0 Zwei-Photonen Resonanz in Quecksilber Hinweise auf eine bis dato experimentell nicht beobachtete, auf einer Mehr-Photonen Anregung beruhende Licht-induzierte Drift ergeben.

Testing Wavefunction Collapse Models using Parametric Heating of a Trapped Nanosphere

We propose a mechanism for testing the theory of collapse models such as continuous spontaneous localization (CSL) by examining the parametric heating rate of a trapped nanosphere. The random localizations of the center-of-mass for a given particle predicted by the CSL model can be understood as a stochastic force embodying a source of heating for the nanosphere. We show that by utilising a Paul trap to levitate the particle and optical cooling, it is possible to reduce environmental decoher- ence to such a level that CSL dominates the dynamics and contributes the main source of heating. We show that this approach allows measurements to be made on the timescale of seconds, and that the free parameter λcsl which characterises the model ought to be testable to values as low as 10^{−12} Hz.

Engineering a Quantum Many-body Hamiltonian with Trapped Ions

While fault-tolerant quantum computation might still be years away, analog quantum simulators offer a way to leverage current quantum technologies to study classically intractable quantum systems. Cutting edge quantum simulators such as those utilizing ultracold atoms are beginning to study physics which surpass what is classically tractable. As the system sizes of these quantum simulators increase, there are also concurrent gains in the complexity and types of Hamiltonians which can be simulated. In this work, I describe advances toward the realization of an adaptable, tunable quantum simulator capable of surpassing classical computation. We simulate long-ranged Ising and XY spin models which can have global arbitrary transverse and longitudinal fields in addition to individual transverse fields using a linear chain of up to 24 Yb+ 171 ions confined in a linear rf Paul trap. Each qubit is encoded in the ground state hyperfine levels of an ion. Spin-spin interactions are engineered by the application of spin-dependent forces from laser fields, coupling spin to motion. Each spin can be read independently using state-dependent fluorescence. The results here add yet more tools to an ever growing quantum simulation toolbox. One of many challenges has been the coherent manipulation of individual qubits. By using a surprisingly large fourth-order Stark shifts in a clock-state qubit, we demonstrate an ability to individually manipulate spins and apply independent Hamiltonian terms, greatly increasing the range of quantum simulations which can be implemented. As quantum systems grow beyond the capability of classical numerics, a constant question is how to verify a quantum simulation. Here, I present measurements which may provide useful metrics for large system sizes and demonstrate them in a system of up to 24 ions during a classically intractable simulation. The observed values are consistent with extremely large entangled states, as much as ~95% of the system entangled. Finally, we use many of these techniques in order to generate a spin Hamiltonian which fails to thermalize during experimental time scales due to a meta-stable state which is often called prethermal. The observed prethermal state is a new form of prethermalization which arises due to long-range interactions and open boundary conditions, even in the thermodynamic limit. This prethermalization is observed in a system of up to 22 spins. We expect that system sizes can be extended up to 30 spins with only minor upgrades to the current apparatus. These results emphasize that as the technology improves, the techniques and tools developed here can potentially be used to perform simulations which will surpass the capability of even the most sophisticated classical techniques, enabling the study of a whole new regime of quantum many-body physics.