A new experimental setup for quantum computing and quantum simulation with individual ytterbium atoms in optical tweezers

Abstract

In this thesis, I describe a new experimental setup for trapping and imaging of single ytterbium atoms trapped in optical tweezers. The setup is aimed at future research in the field of quantum computing and simulation employing the alkaline-earth-like element ytterbium that offers advantages over commonly used alkali-atom species like rubidium that include the use of a highly coherent nuclear spin qubit for information encoding and access to a meta-stable clock state with employment in erasure conversion and mid-circuit measurement protocols. To exploit these advantages, a complex experimental setup is needed to implement the omg-architecture in neutral fermionic 171-Yb. I describe the magnetic field setup capable of providing offset fields for quantum computing within the omg-architecture also capable of compensating stray magnetic fields to a sufficient degree, an external electrode setup used for compensation of background electric fields and the high-resolution imaging objectives used for trapping and imaging of single atoms. Further, I present the detailed characterization of an optical setup featuring a pair of crossed acouto-optic deflectors operating at 532 nm used for the generation of a tweezer array with up to 144 sites. This setup facilitates the generation of tweezers with near-diffraction limited waist size of 600 nm radial and 5.3 µm axial with a homogeneity of both size and intensity of under 3 % over the whole array. After giving an in-depth characterization of the magneto-optical trap used for loading atoms into the tweezers, I report on first experiments using this new experimental machine with single bosonic 174-Yb atoms paving the way for future studies. Stochastic loading of bosonic 174-Yb atoms into the array with an efficiency of near 60 % and imaging of the single atoms in the tweezers with a fidelity of 99.862 % and an imaging loss of 1.2 % is demonstrated. The atoms are shown to have a temperature of 31 µK through a release-and-recapture experiment and exhibit a lifetime of about 23 s when trapped in the tweezers. After presenting the plans for a pulse generator setup including elliptical beam shaping for the driving of single qubit gates in the future, I conclude with an outlook on possible future research prospects.

In dieser Arbeit wird ein neuer Experimentaufbau zum Fangen und Abbilden von einzelnen Ytterbium-Atomen gefangen in optischen Mikrofallen vorgestellt. Der Aufbau ist dabei für zukünftige Experimente zu Quantencomputing und Quantensimulation ausgelegt. Das Lanthanoid Ytterbium hat für diese Anwendungen Vorteile wie das Kodieren von Informationen in einem hochkohärenten Kernspin als Qubit und dem Zugang zu einem metastabilen Uhrenzustand, der in Protokollen für Fehlerkorrektur und Innerschaltkreismessungen Anwendung findet. Dies unterscheidet es von häufig genutzten Alkali-Elementen wie Rubidium. Um diese Vorteile nutzbar zu machen, wird ein komplexer Experimentaufbau beschrieben, der die sogenannte omg-Architektur für neutrale, fermionische 171-Yb-Atome implementiert. Es werden die Magnetfeldspulen beschreiben, welche es erlauben die für die omg-Architektur nötigen Quantisierungsfelder zu erzeugen und Hintergrundfelder in ausreichender Genauigkeit zu kompensieren. Weiterhin wird das Layout der Optik, eine externe Elektrodenanordnung zum Ausgleichen von elektrischen Hintergrundfeldern und das hochauflösenden Mikroskopobjektiv, welches zum Fangen und Abbilden der einzelnen Atome genutzt wird, beschrieben. Weiterhin beschreibt es die Charakterisierung eines optischen Aufbaus zum Erzeugen von Anordnungen von optischen Mikrofallen mit einer Wellenlänge von 532 nm mit Hilfe eines Paars gekreuzter akoustooptischer Deflektoren mit einer Größe von bis zu 144 Fallen. Der Aufbau ermöglicht die Erzeugung von beugungsbegrenzten optischen Mikrofallen mit einer Strahltaille von 600 nm radial und 5.3 µm axial und einer Homogenität von Intensität und Größe von unter 3 % über die gesamte Anordnung. Nach einer detaillierten Charakterisierung der magneto-optischen Falle, welche zum Laden von einzelnen Atomen in die optischen Mikrofallen genutzt wird, wird das Laden von einzelnen bosonischen 174-Yb in die optischen Mikrofallen mit einer Effi zienz von nahe 60 % sowie das Abbilden der einzelnen Atome mit einer Güte von 99.862 % und einem Verlust von 1.2 % der Atome pro Bild demonstriert. Die Temperatur der Atome wird mittels eines Wiedereinfangexperiments zu 31 µK bestimmt. Die Lebensdauer der Atome in den Fallen beträgt 23 s. Die gezeigten Experimente bereiten den Weg für weitere Versuche zu Quantencomputing und Quantensimulation mit neutralen Ytterbium-Atomen. Nachdem die Pläne für einen optischen Pulsgenerator zum Treiben von Einzel-Qubit Gatteroperationen im zukünftigen Experiment beschrieben wurden, schließt die Arbeit mit einem Ausblick auf die möglichen Forschungsthemen für das Experiment ab.