Verschränkung von Polaritonen

Die Verschränkung ist ein faszinierendes und immer noch wenig verstandenes Phänomen, das der Quantenphysik bizarr anmutende Eigenschaften gibt aber auf der anderen Seite auch für das große Potential der Quanteninformationsverarbeitung verantwortlich ist. Die Verschränkung liegt konkret verfügbaren Technologien, wie der Quantenschlüsselverteilung zugrunde, aber auch zukünftigen Anwendungen in Quanten-Repeatern oder in der Messtechnik. Die Forschung über die Verschränkung hat dazu beigetragen, dass sich das Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung überhaupt entwickelt hat und neue, bessere Quellen verschränkter Photonenpaare waren oft für Durchbrüche in der Quantenkommuni-kation und darüber hinaus verantwortlich. Traditionell basieren Quellen verschränkter Teilchenpaare auf nichtlinear optischen Effek-ten in Dielektrika. Im beantragten Projekt wollen wir einen Effekt der Halbleiterphysik, das sogenannte Mikroresonator-Exziton-Polariton (MEP) benutzen um Verschränkung zu er-zeugen. MEP sind halb Licht, halb Materie Quasiteilchen in einem mikroskopischen Resona-tor, in welchem Licht und Materie sehr stark wechselwirken können. Durch diese Kombina-tion "erben" die MEP interessante Eigenschaften, zum Beispiel ihre leichte effektive Masse und relative starke Wechselwirkungen untereinander. Diese starken Wechselwirkungen können wir ausnutzen, um Verschränkung zu erzeugen. Dazu müssen wir die MEP Streuprozesse so arrangieren, dass die optisch angeregten MEP in die gewünschten Ausgangskanäle gelangen. In unserem Projekt werden wir passende Halbleiternanostrukturen entwerfen und herstellen, die Eigenschaften der erzeugten MEP charakterisieren und auf Verschränkung testen. Die Verschränkung von MEP wird für mehrere Disziplinen nützlich sein, eine der aufre-gendsten Ziele wäre die Wechselwirkung verschränkter MEP mit einem MEP Bose-Einstein Kondensat. Auf der Anwendungsseite könnte eine solche Quelle zu einer miniaturisierten, elektrisch angeregten Quelle verschränkter Photonenpaare entwickelt werden. Dies sind nur zwei Beispiele neuer und faszinierender Forschung, die verschränkte Polaritonen er- möglichen könnten.

Im Projekt Verschränkung von Polaritonen haben wir uns mit sogenannten Exziton-Polaritonen, kurz Polaritonen und deren Verwendung zur Erzeugung von speziellen Lichtzuständen beschäftigt. Licht besteht im freien Raum aus Lichtteilchen, sogenannten Photonen. Bei herkömmlichen Lichtquellen, inklusive Lasern, werden die Photonen mehr oder wenig er zufällig ausgesandt. Viele Anwendungen in der Messtechnik oder Kommunikation können wir verbessern, indem wir geordnete, quantenmechanische Lichtzustände erzeugen, zum Beispiel einzelne Photonen oder sogenannte verschränkte Photonenpaare. Wenn Licht sich in Materie bewegt, ist ein Teil der Energie im Lichtfeld und ein Teil in Anregungszuständen der Materie. Eine Aufteilung halb Licht / halb Materie kann man insbesondere erreichen, wenn man das Lichtfeld zwischen Spiegeln in einen sogenannten Resonator einsperrt. In unserem Fall sind das Halbleiter, die so strukturiert werden, dass sowohl das Licht, als auch die Materieteilchen (Elektronen) eingesperrt sind und besonders stark wechselwirken, sodass man den Materieanteil und den Lichtanteil eigentlich gar nicht mehr unterscheiden kann. Man gibt den so entstandenen Teilchen daher einen eigenen Namen, eben Polaritonen.Im freien Raum gehen zwei Lichtstrahlen unbehelligt durcheinander durch, z.B. zwei gekreuzte Taschenlampenstrahlen. Bei Polaritonen verhält es sich nun anders: von ihrem Materieanteil erben sie die Eigenschaft wie Billardkugel miteinander stoßen zu können. Diese Stöße können wir ausnutzen um die Polaritonen in die speziellen Zustände zu versetzen, welche oben besprochen wurden. Wenn das Polariton das Material verlässt, ist es wieder ein gewöhnliches Photon, behält aber den speziellen Zustand.In unserem Projekt ist es uns gelungen, weltweit erstmals direkt die Stöße der Polaritonen zu beobachten, indem wir nachweisen konnten, dass sie als Paare in bestimmten Richtungen aus dem Halbleiter herauskommen. Den Effekt zu sehen war allerdings schwierig, wir mussten eine Reihe von Halbleiterstrukturen bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt untersuchen und verschiedenste Filtermethoden anwenden. Als weitere Ergebnisse haben wir eine neuartige Methode zur Kontrolle der einfallenden Lichtstrahlen ausgearbeitet, neue Halbleiterstrukturen mit gekoppelten Resonatoren entworfen und hergestellt und die theoretische Beschreibung der Stoßprozesse verbessert. Auf Basis unserer Ergebnisse werden weitere Arbeiten nötig sein, um tatsächlich Verschränkung von Polaritonen zu erzeugen. Dafür traten in den bisherigen Strukturen zu viele unerwünschte Prozesse auf, welche das Ergebnis verschlechterten. Mit dem gewonnenen Verständnis können wir nun neue Halbleiterstrukturen entwerfen, welche es erlauben sollten, verschränkte Polaritonenzustände zu erzeugen.