Coherent Processes in Rare-Earth-Ion-Doped Solids

Abstract: Popular Abstract in Swedish Målet avhandlingen har varit att undersöka möjligheten att bygga en kvantdator i kristaller dopade med joner av sällsynta jordartsmetaller. Det har visat sig att sådana joner har en väldigt lång livstid, vilket är en förutsättning för de typer av experiment som har utförts i den här avhandlingen. För att ytterliggare förhindra att de känsliga tillstånden i jonerna störs, så har kristallerna kylts ner till ungefär -271 grader C (bara 2 grader över absoluta nollpunkten), med hjälp av en kryostat som använder flytande helium. Innan experimenten kunde påbörjas, var det även nödvändigt att bygga en laser med en väldigt stabil frekvens (färg på ljuset). Man kan säga att, för att kvantdatorexperimenten skulle lyckas var det tvunget att hålla frekensen hos lasern stabil ner till 12:e decimalen, vilket kräver en väldigt hög grad av kontroll på lasersystemet. En kvantdator är en slags dator som är begränsad endast av de kvantmekaniska spelreglerna, vilket betyder att den löser uppgifter på ett helt annat sätt än en klassisk dator, och därför har potential att bli mycket kraftfullare. Den minsta informationsenheten i en klassisk dator är en bit, vilken kan vara antingen 1 eller 0. En motsvarande kvantbit kan också vara 1 eller 0, men med den skillnaden att den kan, med en viss sannolikhet, också vara i båda tillstånden samtidigt! Detta är ett så kallat superpositionstillstånd, och med hjälp av dessa kan man få en kvantdator att lösa vissa typer av uppgifter på flera olika sätt samtidigt. Detta är en av de egenskaper som gör den potentiellt kraftfullare än en vanlig klassisk dator. Kvantdatorfältet är fortfarande ungt. Ingen har lyckats få mer än några få kvantbitar att samverka, och det finns en mängd olösta frågor angående hur man kan skala upp det till att innehålla så många kvantbitar att den kan börja lösa stora problem. Det är därför fortfarande viktigt att ständigt söka efter nya möjligheter, och nya sätt att bygga kvantbitarna på, så att något sätt i framtiden lyckas bli skalbart. I våra experiment har vi lyckats visa att joner från de sällsynta jordartsmetallerna kan erbjuda sådana intressanta möjligheter. Vi visade detta genom att fullständigt karatärisera en kvantbit i en sådan jon, där enskilda elektrontillstånd används som 1 eller 0. Vi visade även att man med hjälp av noggrant kalibrerade ljuspulser från den stabiliserade lasern, kan utföra grindoperationer på kvantbiten, som t. ex. NOT-grinden, men vi utförde även mer avancerade grindar som endast finns i en kvantdator. På vägen mot realiserandet av en kvantdator har även ett antal andra koherenta processer, som också bygger på de kvantmekaniska reglerna, stötts på. Dessa innefattar bland annat så kallad superradians, vilket är en process där många atomer samverkar kvantmekaniskt på ett sådant sätt att när atomerna skickar ut ljus (deexciteras) så gör de det mycket snabbare än atomerna skulle ha gjort om de hade varit ensamma. Andra intressanta fenomen som påträffades var långsamt och snabbt ljus. Genom att manipulera atomer med olika frekvens på olika sätt kan man nämligen skapa förhållanden där en ljuspuls som skickas genom materialet går mycket långsammare eller mycket snabbare än den vanliga ljushastigheten. Under tillräckligt extrema förhållanden kan man till och med få toppen på en ljuspuls att komma ut ur materialet innan den ens har kommit in! Detta innebär inte ett brott mot relativitetsteorin eller mot kausaliteten, utan betyder istället att man måste vara noggrann med hur man definierar informationsinnehållet i en puls.