Master Arbeiten
Die meisten der hier konkret aufgeführten Themen sind nicht aktuell. Sie dienen jedoch als illustrative Beispiele aus einem breiten Spektrum an möglichen Themen für experimentelle und theoretische Arbeiten.
Fragen Sie einfach unverbindlich nach aktuellen Themen!
Projekt 1:
Pound-Drever-Hall Stabilisierung eines Diodenlasers auf einen Fabry-Perot-Resonator
Für Experimente mit kalten Ionen benötigt man Laser, deren Frequenz besser als die natürliche Linienbreite (typisch einige MHz) des Atoms bestimmt ist, und das bei Laserfrequenzen von einigen 10BE Hz. Hierzu wird neben einer mit konstruktiven Mitteln erreichbaren guten mechanischen wie thermischen Stabilität üblicherweise eine zusätzliche Stabilisierung auf dopplerfreie Sättigungs-Spektroskopiesignale oder Transmissionsspektra von Fabry-Perot-Resonatoren mit oft hoher Güte angewandt. In beiden spektroskopischen Verfahren kommt der RF-Modulationsspektroskopie eine besondere Bedeutung zu. Sie ermöglicht eine die Linienbreite übersteigende Regelbandbreite und eine Stabilisierung die weitgehend unempfindlich ist auf Intensitätsschwankungen des Lasers und soll daher bei der Stabilisierung auf einen Fabry-Perot-Resonator mittlerer Güte angewandt werden.
Projekt 2:
Erzeugung und Charakterisierung elliptischer Strahlprofile zur Laserkühlung langer Ionenketten in einer Mikrofalle
Bei Experimenten mit lasergekühlten Ionen in Paulfallen kann das Licht einzelner Ionen detektiert werden. Um an einzelnen Atomen eine verlässliche Zustands-bestimmung durchführen zu können, reichen wenige beim Detektor ankommende Fluoreszenzphotonen aus. Daher ist es wichtig, Laserstreulicht, welches insbesondere bei der Verwendung von Mikrofallen auftritt, zu unterdrücken. Bei diesen Mikrofallen wird eine Kette von Ionen mittels Weschselfeldern in einem schmalen lasergeschnittenen Spalt eines Keramiksubstrats gefangen. Die Breite des Spaltes ist hierbei deutlich schmaler als 1 mm. Zur Vermeidung von Streulicht muss der Laser also deutlich kleiner als die Spaltbreite fokussiert werden. Längs der Spaltrichtung ist andererseits eine weit größere Strahltaille wünschenswert, um lange Ionenketten nahezu homogen auszuleuchten und so effizient zu kühlen und zu detektieren. Die Lösung sind elliptische Strahlquerschnitte, welche mit Zylinderlinsen erzeugt und an gefangenen Ionenketten charakterisiert werden sollen.
Projekt 3:
Aufbau eines Mikrowellensystems zur Manipulation von Quantenbits
Die Kühlung der in unseren Experimenten verwendeten Ytterbium-Ionen erfolgt mit Lasern, die es erlauben, binnen Millisekunden Ionen von über Raumtemperatur auf wenige Millikelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt herabzukühlen. Zur kohärenten Manipulation der Ionen werden jedoch schmalbandige Mikrowellenübergänge mit einer Frequenz von 12.6 GHz verwendet, da bei diesen Übergängen zwischen Hyperfeinzuständen des elektronischen Grundzustands keine Spantanzerfälle auftreten. Auch zur Vermeidung optischen Pumpens bei der Laserkühlung wird diese Mikrowelle gebraucht. Das aufzubauende Setup umfasst die Signalerzeugung, Frequenzmischung und Leistungsverstärkung sowie die geeignete Einkopplung in das Experiment und soll schließlich an lasergekühlten Yb-Ionen demonstriert werden.
Projekt 4:
Ein Funktionsrechner zum optimalen nichtadiabatischen Verschieben lasergekühlter Ionen
In Ionenfallen wurden bereits Quantenalgorithmen an wenigen Quantenbits demonstriert. Um einen leistungsfähigen ionenbasierten Quantenrechner mit vielen Qubits zu realisieren, gibt es verschiedene Skalierungskonzepte. Die meisten gehen dabei von eine rasterartigen Anordnung von Mikrofallen und deren Unterscheidung in Kühl- und Rechenbereiche aus. Ein wesentlicher Teil der Rechenzeit geht dann auf die Zeit für das Verschieben der Ionen zwischen den einzelnen Zonen zurück. Um ein Aufheizen der Ionen beim zeitsparenden und somit möglichst schnellen Verschieben zu vermeiden, lässt sich dieses nichtadiabatisch durchführen. Im letzteren Fall wird der Abbremsvorgang im Idealfall so durchgeführt, dass sämtliche angeregte Schwingungsmoden durch eine gegenphasige Beschleunigung wieder zum Stillstand kommen. Hierzu kann die Optimal Control Theory (OCT) verwendet werden. Das Endergebnis einer solchen Optimierungsrechnung, welche auf bestehende Potentialsimulationen unserer Fallengeometrie zurückgreift, sind zeitabhängige Potentiale, wie sie an Kontrollelektroden zur Ionenverschiebung angelegt werden.