Bachelorarbeitsthemen 2016

Voraussetzungen:

  • Lineare Algebra und Analysis 1
  • Einführung in die Physik
  • Physik 1b
  • Physik II
  • Physik III
  • Min. eine LV aus dem Modul Physik IV
  • Theoretische Physik I

Themenliste:

  1. Gemischte Ionenkristalle (RB)
  2. Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit photonischer Kristalle (TN)
  3. Hybride Systeme mit Ionen und kalten Atomen (PS)
  4. Verschiedene Arten von Verschränkung und deren Erzeugung im Labor (BL)
  5. Präzisionsmessungen in Penningfallen (CR)
  6. Quantengatter höchster Güte (RB)
  7. Quantenlogik-Spektroskopie (CR)
  8. Quantenrepeater (BL)
  9. Quantenspeicher (TN)
  10. Starke Licht-Atom-Wechselwirkung im freien Raum (YC)
  11. Quanten-Zustandsdistillation (PS)
  12. Richtkopplung in eine geführte Lichtmode (YC)

Betreuer:
BL: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., CR: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., TN: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., PS: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., RB: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., YC: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

markiert = schon vergeben

 

Themen Beschreibung:

1. Gemischte Ionenkristalle (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Ionenkristalle, meist in Form von linearen Ketten, werden für Präzisionsmessungen und für die Quanteninformation verwendet. Durch Speicherung von zwei verschiedenen Ionensorten kann man die optische Kühlung einer Ionensorte verwenden, um die andere „mitfühlend“ zu kühlen. Ebenso kann die eine Ionensorte verwendet werden, um Präzisionsmessungen an der mitgespeicherten Sorte zu machen (Quantenlogik-Spektroskopie) und schließlich kann man verschiedene Ionenarten für die Zwischenspeicherung von Quanteninformation verwenden. In dieser Arbeit sollen einmal die Eigenschaften gemischter Ionenkristalle zusammengestellt werden und es soll anhand von aktuellen Beispielen gezeigt werden, wie sie für Anwendungen eingesetzt werden.

Literatur:

 

2. Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit photonischer Kristalle (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

In der Hohlraum-Quantenelektrodynamik wird die Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und einzelnen Photonen mit Hilfe eines Resonators erforscht.  Diese Wechselwirkung ermöglicht die Erforschung des Übergangs zwischen der Quantenwelt und der makroskopischen Welt und kann auch als Schnittstelle in Quantennetzwerken verwendet werden. Der typische Resonator für optische Wellenlängen besteht aus zwei aufeinandergerichteten Spiegeln. Inzwischen gibt es neuartige Resonatoren, basierend auf photonischen Kristallen, die neue Perspektiven für Experimente eröffnen, weil sie eine sehr hohe Kopplungstärke zwischen Licht und Materie und zweidimensionale Geometrien aufweisen.

Literatur:

 

3. Hybride Systeme mit Ionen und kalten Atome (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Ultrakalte Atome und gespeicherte Ionen haben in der Atom- und Molekülphysik eine neue Ära eingeläutet. Mit moderner Lasertechnik ist es möglich, eine große Anzahl neutraler Atome in optischen Fallen zu speichern und zu kühlen. Einzelne Ionen können durch elektrische Felder für lange Zeit gefangen werden, was es ermöglicht, deren Quantenzustände mit Laserpulsen zu manipulieren. Wenn man diese beiden Systeme kombiniert, kann man ein einzelnes, geladenes Atom in einem Bad aus vielen neutralen Atomen positionieren. Solche Systeme eignen sich hervorragend, um chemische Reaktionen unter präzise definierten Verhältnissen zu untersuchen. Weiters können die Eigenschaften großer Quantensysteme mit einem einzelnen Teilchen als Probe untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll die unterliegende Physik und die experimentellen Probleme analysiert werden.

Literatur:

 

4. Verschiedene Arten von Verschränkung und deren Erzeugung im Labor (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

The ability of physical systems to become entangled is one of the most surprising and counterintuitive properties of nature. Entanglement can be considered to be a fundamental resource: it can be moved around between different physical systems and used to carry out computation, measurement and communication tasks that are thought to be otherwise impossible. As such, improving our understanding of entanglement and ability to control it in the laboratory is an important research direction. In this project we will look at entanglement from an experimentalist’s perspective: starting with the simplest case of entanglement between two systems (particles) and then moving on to multiple systems, in which different types of entanglement emerge. Our focus will be on how to describe, generate and detect entanglement in the laboratory, in particular entanglement between single photons and between trapped ions.

Literatur:

 

5. Präzisionsmessungen in Penningfallen (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Einzelne geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, atomare und molekulare Ionen) lassen sich in Penningfallen durch eine Kombination statischer magnetischer und elektrischer Felder praktisch unbegrenzt speichern. Die sehr gute Isolation der Teilchen von jeglichen Umwelteinflüssen hat Experimente ermöglicht, mit denen sich Tests fundamentaler Physik mit höchster Präzision durchführen lassen. So wurde zum Beispiel das magnetische Moment des Elektrons mit einer Unsicherheit von nur 10-12 bestimmt und für die genaueste Messung der Feinstrukturkonstante verwendet. Mit Bestimmungen der magnetischen Momente von Proton und Antiproton lässt sich die Materie/Antimaterie-Symmetrie der Physik testen. Die entsprechenden Messungen sind schwieriger als für das Elektron; in den neuesten Experimenten ist es aber gelungen, Spin-Flip-Prozessen einzelner Protonen zu beobachten und das magnetische Moment eines Protons zu bestimmen.

Literatur:

 

6. Quantengatter höchster Güte (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Für die Realisierung von Quantencomputern werden derzeit eine Reihe von verschiedenen Plattformen untersucht, insbesondere gespeicherte Ionen in Paulfallen, supraleitende Schaltkreise, sowie atomare und Festkörpersysteme. Für jede dieser Realsierungen sind Gatteroperationen notwendig, um universelle Quantenrechnungen zu implementieren. Die Qualität der jeweiligen Quantengatter ist entscheidend für die Realisierung von Quantenrechnungen und Quantensimulationen. Speziell für die Implementierung von Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur sind Quantengatter höchster Güte notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Übersicht über die derzeitigen Gatteroperationen und deren Implementierung gegeben werden. Damit verbunden ist sind die Verfahren zur Messung und ggf. zur Verbesserung der Güte von Quantengattern.

Literatur:

 

7. Quantenlogik-Spektroskopie (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Der Begriff Quantenlogik-Spektroskopie beschreibt eine Spektroskopie-Technik, bei der quantenmechanische Verschränkung für Spektroskopie-Experimente mit einzelnen Ionen eingesetzt wird. Spektroskopische Präzisionsmessungen an einzelnen Atomen sind die Grundlage für die Konstruktion hochpräziser Atomuhren und auch für Experimente, die die Messung von Naturkonstanten zum Ziel haben. Eine große Herausforderung besteht allerdings für viele interessante Atomspezies darin, die spektroskopische Anregung eines Atoms zu detektieren. Quantenlogik-Spektroskopie löst dieses Problem, indem das „Spektroskopie-Ion“ zusammen mit einem „Logik-Ion“ gespeichert wird. Die spektroskopische Information wird dann über verschränkende Wechselwirkungen auf das Logik-Ion transferiert und anschließend durch eine Quantenmessung am Logik-Ion ausgelesen.

Literatur:

 

8. Quantenrepeater (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Entanglement has been established as a fundamental resource of Nature: it is the fuel behind quantum computing, enhanced measurement precision and provably-secure communication. The ability to distribute entanglement between remote locations opens up new possibilities to use this resource for new science and technology. A problem is that good physical carriers of entanglement (photons) typically get attenuated as they travel, but cant be amplified again due to the no-cloning principle of quantum mechanics. So, how can quantum information and entanglement be distributed over long distances?
A solution, proposed in Innsbruck [3], is to build quantum repeaters: networks of quantum matter linked up with light. Such repeaters could exploit teleportation, entanglement swapping and quantum error correction, to distribute quantum entanglement over large distances. We will investigate the physical principles behind quantum repeaters and review current experimental efforts around the world. This includes Innsbruck, where we aim to demonstrate a quantum repeater distributed over campus in the coming years. This is a challenging project, suitable for self motivated students.

Literature:

 

9. Quantenspeicher (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Quantenspeicher sind wesentliche Bausteine, nicht nur für Quantencomputer, sondern auch für Quantenverstärker (englisch quantum repeater), die für die Übertragung von Quanteninformation über weite Entfernungen ermöglichen sollen. Zwei konkrete Beispiele für experimentell realisierte Quantenspeicher sind (1) Ensembles kalter Atome und (2) mit Lanthanoiden dotierte Kristalle. In dieser Bacheloarbeit sollen der aktuelle Stand der Wissenschaft sowie offene Fragen diskutiert werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Fragestellung wie Informationen auf der Quantenebene kohärent gespeichert werden können.

Literatur:

 

10. Starke Licht-Atom-Wechselwirkung im freien Raum (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

How strong can the interaction between a focused light beam and a single atom be? This fundamental question has been investigated with a renewed interest in the recent years in the context of quantum information processing. The light-atom coupling can be increased within certain limits by using a tightly focused beam and an optimized polarization configuration. In the case of a single-photon light beam, maximizing the absorption by the atoms requires to shape the photonic waveform into a specific time profile. We will investigate the physical limitations to this light-atom interaction in free space and have an in-depth review of the current experimental efforts around the world.

Literature:

  • Single atom in free space as a quantum aperture, Vittorio Giovannetti, S. J. van Enk and H. J. Kimble, Phys. Rev. A 61, 051802 (2000)
  • Strong interaction between light and a single trapped atom without the need for a cavity, M. K. Tey et al., Nature Phys. 4, 0924 (2008)
  • Perfect excitation of a matter qubit by a single photon in free space, M. Stobinska, G. Alber, and G. Leuchs, EPL 86, 14007 (2009)

 

11. Quanten-Zustandsdistillation (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Quantencomputer können gewisse Aufgaben exponentiell schneller lösen als herkömmliche Rechenmaschinen. Es ist jedoch sehr schwierig, große Systeme in die dafür benötigten Quantenzustände mit ausreichender Qualität zu bringen. Eine Möglichkeit um die Qualität von vorhandenen Quantenzuständen zu erhöhen ist die Destillation eines Zustandes mit hoher Qualität aus mehreren Zuständen mit niedriger Qualität. Diese Technik ist von herausragender Bedeutung für Quantenfehlerkorrektur und auch für die Realisierung eines großen Quantennetzwerks. Diese Arbeit soll das grundlegende Prinzip von Zustandsdestillation und eine Analyse möglicher Realisierungen in unterschiedlichen physikalischen Systemen behandeln.

Literatur:

 

12. Richtkopplung in eine geführte Lichtmode (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Certain modes of light propagating in waveguides or whispering gallery mode resonators have a longitudinal E field component, which is absent for plane waves in free space. In 2013 it was discovered that one can exploit this characteristics to excite selectively a travelling wave in a direction of propagation that depends on the polarization of the exciting field. Since then, this effect has been used in several experiments. In a first experiment, light is injected into a nanofiber in a controlled direction by exciting a nanoparticle placed on the waveguide. In a second experiment, a single Rubidium atom is used to switch the propagation of photons in the whispering gallery mode of a Silica microsphere.

Literature: