Polariton-basierte Einzelphotonenquellen

Einzelphotonen sind von grundlegenderBedeutungindenBereichen der Quantenoptik, Quantenkommunikation, Quanteninformationsverarbeitung und Metrologie. Einzelphotonenzustände zu erzeugen ist jedoch alles andere als eine triviale Aufgabe. Die bereits heute verfügbaren Methoden dieses Ziel zu erreichen sind alle entweder dadurch begrenzt, dass ein sehr komplexer experimenteller Aufbau vonnöten ist oder dass das benutzte System nicht skalierbar ist. Eine praktikable Lösung wurde bis heute noch nicht gefunden. In unserem Projekt möchten wir dieses Problem mit Hilfe von Exziton-Polaritonen in optischen Mikroresonatoren lösen. Diese Quasiteilchen sind kohärente Superpositionen von Photonen und Exzitonen bei deren Zerfall ein fliegendes Photon entsteht. Das große Potential von Polaritonen in quantenoptischen Anwendungen wurde bereits in vielen theoretischen Arbeiten diskutiert und einige Quanteneffekte, wie Kohärenz erster Ordnung und gequetschte Zustände sind bereits experimentell demonstriert worden. Die größten Vorteile des Polariton-Systems gegenüber Einzelphotonenquellen basierend auf individuellen Quantenemittern sind die inhärente Skalierbarkeit, Robustheit und die Möglichkeit einige Eigenschaften, wie die Wellenlänge, Polarisation oder die zeitliche Pulsform des erzeugten Lichts auf die jeweilige Anwendung maßzuschneidern. Um die Ziele unseres Projekts zu erreichen, beabsichtigen wir die neuesten Entwicklungen in optischem Design, Fabrikation, und theoretischer Quantenoptik anzuwenden. Wir werden Einzelphotonenerzeugung in drei verschiedenen Designs zu untersuchen, alle basierend auf III-V Halbleitersystemen. Zuerst werden wir Mikrotürmchen-Resonatoren von hoher optischer Güte mit integrierten Quantenfilmen und Abmessungen im sub-mikrometer Bereich fertigen, um die für Quantenkorrelationen nötige starke photonische Nichtlinearität zu erzeugen. Des Weiteren werden wir uns die Quanteninterferenz zwischen einem Paar von schwach gekoppelten Mikrosäulen zu Nutze machen um Einzelphotonen zu erzeugen. Drittens, werden wir ein flexibles Hybridschema anwenden, bei dem der Resonator auch noch nach dem Fabrikationsprozess verstimmbar bleibt. Mithilfe dieses Schemas können wir zeit- und kosteneffizient einen großen Teil des Parameterraums untersuchen. Eine erfolgreicheDemonstration der Polariton-BlockadeundEinzelphotonenemission in den vorgeschlagenen Mikroresonator-Systemen würde einen großen Durchbruch bedeuten, mit Auswirkungen weit über die Polaritonen-Forschungsgemeinde hinaus. Ein Einzelphotonenschema basierend Interferenz in gekoppelten Resonatoren ist besonders interessant, weil es bisher noch in keinem System experimentell realisiert worden ist. Die Möglichkeit Einzelphotonen über ein Quasiteilchen-Ensemble ohne individuelle Quantenemitter zu erzeugen könnte zu völlig neuen Designs von hoch-integrierten Quantenoptik-Chips führen. Zudem könnte die Fähigkeit beliebige Photonenzahlzustände zu erzeugen den Weg zur Realisierung von Quantensimulationsschemata basierend auf bosonischen Quantenfluiden in Halbleitern ebnen.

Einzelphotonen sind von grundlegender Bedeutung in den Bereichen der Quantenoptik, Quantenkommunikation, Quanteninformationsverarbeitung und Metrologie. Einzelphotonenzustände zu erzeugen ist jedoch alles andere als eine triviale Aufgabe. Die bereits heute verfügbaren Methoden dieses Ziel zu erreichen sind alle entweder dadurch begrenzt, dass ein sehr komplexer experimenteller Aufbau vonnöten ist oder dass das benutzte System nicht skalierbar ist. Eine praktikable Lösung wurde bis heute noch nicht gefunden. In unserem Projekt haben wir versucht dieses Problem mit Hilfe von Exziton-Polaritonen in optischen Mikroresonatoren zu lösen. Diese Quasiteilchen sind kohärente Superpositionen von Photonen und Exzitonen bei deren Zerfall ein Photon entsteht. Das große Potential von Polaritonen in quantenoptischen Anwendungen wurde bereits in vielen theoretischen Arbeiten diskutiert und einige Quanteneffekte sind bereits experimentell demonstriert worden. Die größten Vorteile des Polariton-Systems gegenüber Einzelphotonenquellen basierend auf individuellen Quantenemittern sind die inhärente Skalierbarkeit, Robustheit und die Möglichkeit einige Eigenschaften, wie die Wellenlänge, Polarisation oder die zeitliche Pulsform des erzeugten Lichts auf die jeweilige Anwendung maßzuschneidern. Um die Ziele unseres Projekts zu erreichen, haben wir die neuesten Entwicklungen in optischem Design, Fabrikation, und theoretischer Quantenoptik angewendet. Wir haben die Einzelphotonenerzeugung in drei verschiedenen Arten von Halbleiter-Resonatoren untersucht. Einerseits haben wir Mikrotürmchen-Resonatoren von hoher optischer Güte mit integrierten Quantenfilmen und Abmessungen im sub-mikrometer Bereich gefertigt, um die für Quantenkorrelationen nötige starke photonische Nichtlinearität zu erzeugen. Des weiteren haben wir die Quanteninterferenz zwischen einem Paar von schwach gekoppelten Mikrosäulen untersucht. Drittens, haben wir in einem flexiblen Hybridschema, bei dem der Resonator auch noch nach dem Fabrikationsprozess verstimmbar bleibt, eine deutliche, wenn auch schwache Unterdrückung der höheren Photonenzahlen erreicht. Obwohl also der Effekt zumindest in einem der drei Systeme nachgewiesen werden konnte, wird seine technische Nutzung noch genauere Untersuchungen erfordern.