Controlling the quantum state of light and matter with cavity QED

Abstract

Experimental progress in atomic, molecular and optical physics, at the quantum level, as well as in condensed matter physics, has over the last few decades allowed us to not only observe quantum phenomena in nature, but also control them. This has led to the idea of “engineering” quantum systems, where microscopic constituents, such as single atoms, are manipulated in a precise manner to achieve some desired behaviour. By now, this has become a central theme in contemporary low-energy quantum physics. The change in viewpoint, from “observing” to “controlling,” leads to very different goals and opportunities, for experimentalists and theorists alike. This thesis contains seven publications on the following two related topics: i) engineering interactions in quantum systems, allowing for a large degree of control of system parameters, and ii) quantifying and understanding quantum correlations in dynamical quantum systems. The latter is an important goal in quantum information science, necessary to take advantage of quantum systems for information processing tasks, and thus expected to be central for future quantum technologies

Nye eksperimentelle metoder innen optikk, atom- og molekylfysikk, samt innen kondenserte mediers fysikk, har over de siste tiårene ført til at vi kan ikke bare kan observere kvantemekaniske fenomen i naturen, men også kontrollere slike fenomen. Dette har ledet til ideer rundt å "konstruere" kvantemekaniske system, hvor mikroskopiske "byggeklosser", slik som enkeltatom, blir manipulert under presis kontroll for å oppnå en ønsket oppførsel. Dette har nå blitt et sentralt tema i moderne kvantefysikk. Skiftet i fokus, fra "å observere" til "å kontrollere", fører til forskjellige mål og muligheter, både for eksperimentalister og teoretikere. Denne avhandlingen inneholder sju publikasjoner innen to relaterte tema: i) konstruksjon av interaksjoner mellom kvantemekaniske system med stor grad av eksperimentell kontroll av modellparametre, og ii) forståelse og kvantifisering av korrelasjoner i dynamiske kvantemekaniske system. Det siste er et sentralt mål i kvante-informasjonsteknologi, nødvendig for å utnytte kvantemekaniske effekter for prosessering av informasjon, og derfor forventet å være viktig for fremtidig teknologi basert på kvantemekanikk.