Diese Arbeit dokumentiert unsere Fortschritte in der Entwicklung eines Ionen-Resonator-Systems. Das System besteht aus einem optischen Faser-Resonator, der entlang der Achse einer linearen Paulfalle integriert ist und darauf abzielt, eine Kopplungsstärke zwischen Ionen und Resonantor zu erreichen, die die Zerfallsraten der Ionen und des Resonators übertrifft. Die Integration der Faserspiegeln in die Endkappenelektroden ermöglicht die Kompensation von Oberflächenladungen auf den dielektrischen Spiegeloberflächen durch Anpassen der Gleichspannung an den Endkappenelektroden.
Das Hauptziel ist eine Quanten-Schnittstelle zwischen gefangenen 40Ca+-Ionen und Photonen zu bilden und die erhebliche Kopplungsstärke des mikroskopischen Resonators zu nutzen, um eine Ionen-Photonen-Verschränkung mit höheren Güten als der von bisherigen Ionen-Photonen-Schnittstellen zu erreichen. Darüber hinaus erwarten wir, dass es möglich ist die Vakuum-Rabi-Aufspaltung zur direkten Bestimmung der Kopplungsstärke zu beobachten.
Nach dem Einkleben der Faserspiegel in die hohlen Endkappenelektroden wurde eine Frequenzaufspaltung der Polarisationsmoden im Resonator von 84.0(8) MHz beobachtet. Diese Aufspaltung übertrifft die Halbwertsbreite des Resonators von 1.4(2) MHz um mehr als eine Größenordnung und wird auf Spannungen in den Spiegelbeschichtungen zurückgeführt. Trotz akustischer Resonanzen in den Spiegelhalter konnten wir die Fluktuationen der Resonanzfrequenz auf 0.48(16) MHz stabilisieren. Anhand eines Experiments in dem die stehende Welle des Resonators mit dem Ion abgetastet worden ist, wird eine Ionenausdehnung von 120(20) nm abgeleitet, was wiederum einer Reduzierung der Kopplungsstärke um 60(5)% entspricht, die wir auf Ionenbewegung zurückführen.
Anhand eines zweiten Experiments in dem Photonen im Resonator erzeugt worden sind, wird die Kopplungsstärke zwischen einem Ion und dem Resonator anhand von Vergleichen zwischen gemessenen und simulierten Ramanspektren und zeitlich aufgelösten Potonenpaketen abgeschätzt. Die geschätzte Kopplunsstärke von etwa 2π·5 MHz liegt deutlich unter der berechnete Kopplungsstärke von 2π·20.5(4) MHz, was wir auf die suboptimale Positionierung der Ionen im Resonator und die Bewegung der Ionen zurückführen. Letztlich wurde der Einzelphotonen-Charakter durch ein Hanbury-Brown und Twiss-Experiments bestätigt. Aufgrund der reduzierten Kopplungsstärke haben wir keinen Versuch unternommen, die Vakuum-Rabi-Aufspaltung zu messen.
Im Ausblick werden Strategien zur Verbesserung der Leistung unseres experimentellen Systems vorgestellt. Dazu gehören Maßnahmen zur Reduzierung der Ionenbewegung und zur Minderung des Einflusses von Oberflächenladungen, mit dem Ziel, die maximale theoretische Kopplungsstärke zu erreichen und Ionen mit Photonen sowie Ionen an verschiedenen Orten miteinander zu verschränken.