Integrierte Quellen verschränkter und ununterscheidbarer Photonen

Die Forschung auf den Gebieten der Quantenoptik und der Quanteninformationsverarbeitung hat unser Verständnis der Natur und ihrem Verhältnis zur Information grundlegend verändert. Daraus haben sich Anwendungen zur sicheren Kommunikation auf der Grundlage der Quantenphysik ent- wickelt, die bereits vermarktet werden. Viele der spektakulärsten Entwicklungen in diesem Gebiet sind mit Quantenzuständen des Lichts verbunden. Dieses Projekt wird die Herstellung solcher Zustände einen großen Schritt weiter in Richtung Mini- aturisierung und Integration bringen und zielt insbesondere darauf ab, die darunterliegenden phy- sikalischen Prozesse besser zu verstehen. Wir werden eine Quantenoptik-Plattform aus nichtlinea- ren optischen Elemente, einzelnen Quantenemittern und Wellenleiterelementen entwickeln und untersuchen. Im Besonderen werden wir ausnutzen, dass resonant angeregte Quantenpunkte sehr reine Zustände einzelner Photonen aussenden können, wobei aufeinanderfolgende Photonen un- unterscheidbar sind. Die letztere Eigenschaft ist wichtig für Multi-Photonenprotokolle, zum Beispiel in Quantenrepeatern. Weiters werden wir Bragg-Reflexionswellenleiter benutzen um eine effiziente nichtlineare Umwandlung von Licht zu erreichen. Dabei zielen wir auf den Prozess der spontanen parametrischen Fluoreszenz, welcher ein kurzwelliges Pumpphoton in ein verschränktes Paar von Photonen bei Telekommunikationswellenlänge umwandelt. In unserem Zugang sollen alle Komponenten auf einem Chip kombiniert werden, so dass wir die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts durch resonante Kopplung eines Lasers mit Flüster- gallerieresonator an einzelne Quantenpunkte in Mikrosäulenresonatoren und an Bragg- Reflexionswellenleiter untersuchen und optimieren können. Die genannten Komponenten oder Bauteile sind bereits individuell gezeigt worden, jedoch hat noch niemand diese auf einem Chip integriert. Neben den technischen Herausforderungen ergeben sich eine Reihe interessanter phy- sikalischer Fragestellungen, wie zum Beispiel nach dem genauen Ablauf der Erzeugung von ver- schränkten Photonenpaaren in diesen Strukturen. In Kombination mit passiven optischen Elementen wird unsere Arbeit die Grundlage für eine expe- rimentelle Quantenoptikplattform bilden, mit welcher Quantenoptikexperimente auf völlig neue Art durchgeführt werden können. Längerfristig könnte dieser Ansatz zu einer neuartigen Quantentech- nologie führen. Project description Integrated Sources of Entangled and Indistinguishable PhotonsPage 1 of 1

Die Quantenoptik und ihre Anwendungen in der Quantenkommunikation und in der Quanteninformationsverarbeitung versprechen schwierige Aufgaben lösen zu helfen, Berechnungen zu beschleunigen und in der Sensorik und Messtechnik ein nie dagewesenes Niveau an Auflösung und Genauigkeit zu erreichen. In unserem Projekt haben die Forschungsgruppen in einer internationalen Kollaboration verschiedene quantenoptische Funktionsprinzipien auf Halbleiterchips integriert und dabei signifikante Fortschritte gemacht, welche in zahlreichen wissenschaftlichen Publikationen berichtet wurde. Im Besonderen haben wir mit sogenannten Bragg-Wellenleitern gearbeitet um das Licht auf einem Halbleiterchip auf spezielle Weise einzuschließen und zu führen, so dass Lichtteilchen - genannt Photonen - sich durch spontane parametrische Fluoreszenz in Photonenpaare spalten können. Durch die Physik ihrer Erzeugung können solche Photonenpaare in ihrer Polarisation oder Zeit verschränkt sein. Die quantenmechanische Verschränkung äußert sich in extrem starken Korrelation zwischen den Messergebnissen an den beiden Photonen eines Paares. Diese Messergebnisse können daher als geheime, zufällige Ketten von Schlüsselbits für die verschlüsselte Kommunikation verwendet werden. Im Rahmen des Projekts konnten wir die Effizient der Paarproduktion und die erzielbare Verschränkung gegenüber den Vorarbeiten deutlich steigern. Wir konnten die Quantenzustände charakterisieren und dadurch unter anderem die Zeitdifferenz zwischen den zwei Photonen eines Paares minimieren. In einem anderen Experiment gelang es uns die Photonen in der Zeit zu verschränken, was sehr nützlich für die Kommunikation über lange Distanzen ist, weil diese Kodierung sehr stabil unter den schädlichen Einflüssen der Umgebung ist. Schließlich waren wir in der Lage eine Struktur zu entwerfen, produzieren und testen, welche den notwendigen Laser und die Konversion in einem einzigen Chip integriert. Die Gruppe in Würzburg bettete dafür eine Schicht mit Quantenpunkten - winzige Regionen aus AlInGaAs - in die Struktur als Verstärkungsmedium ein. Wenn man elektrischen Strom durch dieses Bauteil schickt, produziert es Laserstrahlung, deren Photonen in derselben Struktur in verschränkte Photonenpaare bei Telekommunikationswellenlängen umgewandelt werden. Mit zukünftigen Verbesserungen der Effizienz kommen wir damit einer idealen batteriebetriebenen Quelle verschränkter Photonenpaare näher.