Design and construction of the fundamental tools for single atom experiments

Nötr atomlar, genel olarak kuantum bilişim ve kuantum mühendisliği için en umut verici sistemlerden biridir. Soğuk atomlar ve bunların ışıkla etkileşimleri üzerinde tam ve verimli kontrol sağlanması, özellikle kuantum bilişim ve mühendisliği için zorlu ve heyecan verici bir görev olmuştur. Bu sistemler artık kuantum internet uygulamaları, kuantum simülasyon ve doğrusal olmayan tek fotonları içeren deneyler gibi uygulamalara başarıyla entegre edilebilir. Rubidyum atomları, erişilebilir atomik geçişe ve hazır iki seviyeli bir sisteme sahip olmaları sebebiyle, atom fiziği deneyleri ve uygulamaları için bir "oyun alanı" sağlar. Atomik kuantum durumları hassas ve kırılgan olduğundan, ışıkla etkileşimleri dikkatle ele alınmalıdır ve bu sebeple 87Rb atomlarını manipüle etmek için kullanılacak olan deneysel araçlar titizlikle hazırlanmalıdır. Bu atomların manipülasyonunda, verimli ve etkili bir çözüm sağlamak için düşük bant genişliğine sahip stabil lazer sistemleri kurulmalıdır. Gerekli kararlılığı elde etmek için, dış ayna lazer sistemi (ECDL) ve frekans modülasyonlu (FM) spektroskopi düzenekleri oluşturulmuştur. Lazer kurulumunun yanı sıra ultra yüksek vakum düzeneği (UHV) kurulumu yapılmış ve 2.5×e−10 mbar basınç değeri elde edilmiştir. Ultra yüksek vakum seviyelerine ulaşmak için vakum düzeneğinin ısıtılması gerekmektedir. Isıtma işleminin tamamlanmasıyla birlikte rubidyum kaynağı olarak kullanılacak olan Rb dağıtıcıları düzeneğe entegre edilerek bağlanmış ve hazır duruma getirilmiştir. Rb atomlarının maruz kaldığı çarpışmaları minimuma indirmek için UHV düzeneği kurulumu son derece önem arz etmektedir. Son olarak, bu tezde tek atomları manipüle etmek için kullanılacak optik kaviteler incelenmiştir. Yüksek odaklı optik kaviteler, yüksek eşlenme gücü elde etmek için kullanılsa da, çeşitli dezavantajları beraberinde getirirler. Stabilite diyagramının kenarında oldukları için, odaklanma kuvvetinin en yüksek olduğu durumlarda daha yüksek mertebeden mod uyarımı dominant hale gelmektedir. Bu nedenle, yüksek odaklama gücüne sahip optik kavitelerin mod yapısını bilmek, bu cihazları tam olarak anlamak için son derece önem arz etmektedir. Lazer ve UHV düzeneği kurulumlarıyla birlikte optik kaviteler, tek-atom deneylerinin tamamlayıcı parçalarıdırlar.