Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Umsetzung von theoretischen Vorschlägen zur räumlichen Begrenzung von atomarer Anregung durch verschiedene Techniken kohärenter und adiabatischer Wechselwirkungen. Diese erlauben es prinzipiell auch unterhalb des Beugungslimits der treibenden Lichtfelder zu lokalisieren. Eine solche enge Lokalisierung erfordert eine starke nichtlineare Abhängigkeit der kohärenten Anregungswahrscheinlichkeit von den Laserintensitäten, die wir mit adiabatischen Transferprozessen oder schmalbandigen Kompositpulssequenzen (kurz NCP-Sequenzen von engl. narrowband composite pulse) erreicht haben.

Im ersten Kapitel haben wir die beiden adiabatischen Transferprozesse der stimulierten Raman-adiabatischen Passage (STIRAP) und der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) untersucht. Diese zeigen eine ausgeprägte Robustheit gegenüber Variationen der experimentellen Parameter, was zu einem schwellenartigen Verhalten der Transfereffizienz gegenüber der Laserintensität führt. Letzteres ermöglicht eine räumlich eng begrenzte Besetzungsdynamik. Wir haben eine Strahlgeometrie ähnlich der STED-Mikroskopie mit einem Gaußschen Stokes- und einem "Donut"-förmigen Pumpstrahl verwendet, um die Besetzung im Zentrum des Pumpstrahls zu lokalisieren. Wir haben eine überzeugende experimentelle Demonstration und eine gründliche Untersuchung beider Techniken präsentiert. Unsere Daten haben bestätigt, dass der adiabatische Transfer die Besetzung auf räumliche Ausdehnungen weit unterhalb des Strahldurchmessers lokalisiert. Bei einer Pumpstrahltaille von 100µm haben wir die Besetzung auf einen Durchmesser von 20µm für EIT und 3µm für STIRAP begrenzt. Dies stellt die erste Implementierung der EIT-basierten Lokalisierung in einem Festkörper und die erste Implementierung des STIRAP-basierten Ansatzes überhaupt dar. Weiterhin haben wir bestätigt, dass sich die Lokalisierung mit zunehmender Pumpintensität verbessert und dass STIRAP, wie von der Theorie vorhergesagt, viel schneller zu kleineren Besetzungsregionen konvergiert als EIT. Die Daten stimmen sehr gut mit numerischen Simulationen und der analytischen Rechnung überein. Wir haben diese Ergebnisse in der Sonderausgabe "Coherent Control: Photons, Atoms and Molecules" des Journal of Physics B veröffentlicht.

Weiterhin haben wir im zweiten Kapitel NCP-Sequenzen für die hochauflösende Adressierung implementiert. Diese zeigen eine starke Abhängigkeit der Anregungswahrscheinlichkeit von der Laserintensität. Unsere Daten haben bestätigt, dass sie dadurch die Anregung unter den Durchmesser des Gauß-förmigen Strahlprofils begrenzen. Dies ist die erste Implementierung von NCP-basierter Lokalisierung in einem Festkörper. Mit 31 Pulsen haben wir eine Lokalisierung auf 25% des Strahldurchmessers erreicht, was weit unter dem zuvor veröffentlichten Wert von ca. 72% liegt. Ferner haben wir festgestellt, dass die meisten zuvor veröffentlichten NCP-Sequenzen nicht auf einem inhomogen verbreiterten Übergang angewendet werden können. Daher haben wir mit unseren Theoriepartnern in der Gruppe von Nikolay V. Vitanov (Universität Sofia) zusammengearbeitet, um Sequenzen zu entwickeln, die auf unser Medium angepasst sind. Wir haben sie mit mehreren bereits veröffentlichten Klassen von Sequenzen verglichen und bestätigt, dass sich die Lokalisierung mit der Anzahl der Pulse verbessert, aber auch, wie von der Theorie vorhergesagt, stark von der Klasse der Sequenz abhängt. Die Ergebnisse – insbesondere auch in Bezug auf die inhomogen verbreiterte Linie – stimmen sehr gut mit einer numerischen Simulation überein. Wir bereiten derzeit ein Manuskript zur Veröffentlichung dieser Ergebnisse vor.

Diese grundsätzlichen Experimente zur Lokalisierung durch STIRAP bzw. NCP-Sequenzen haben wir noch weit oberhalb des Beugungslimits durchgeführt. Dennoch erlauben sie eine Extrapolation auf die räumliche Begrenzung von Besetzung im Bereich unterhalb des Beugungslimits. Dies wird für die Quanteninformationstechnologie und weit darüber hinaus von Bedeutung sein.

Im letzten Kapitel haben wir Kompositpulssequenzen in Bezug auf Fehlerkompensation untersucht. Wir haben ein einfaches Demonstrationsexperiment durchgeführt, bei dem wir die Kohärenzzeit eines Quantenspeichers mithilfe von dynamischer Dekohärenzkontrolle (DD) erhöht haben, gleichzeitig aber absichtlich Pulsfehler in Form von inhomogenen Entkopplungspulsen eingeführt haben. Wir haben diese Inhomogenitäten vollständig charakterisiert und systematische Messungen durchgeführt, um zu vergleichen, wie gut verschiedene robuste DD-Sequenzen die Fehler kompensieren. Unsere Daten haben gezeigt, dass robuste DD-Sequenzen selbst im Falle homogener Pulse die Kohärenzzeit verbessern. Dieser Unterschied wird noch deutlicher, wenn die Inhomogenität zunimmt. Insbesondere haben wir bestätigt, dass die universell-robusten Sequenzen andere Sequenzen gleicher oder ähnlicher Ordnung, d.h. Pulszahl, übertreffen.

In einem nächsten Schritt werden wir weitere Messungen, die nicht durch eine Dunkelzustandsschwebung limitiert sind, durchführen, um dann die Ergebnisse dieses Demonstrationsexperiments zu veröffentlichen.