Nanofaser Ring-Resonator

Mit Hilfe integrierter optischer Elemente lässt sich die Ausbreitung von Licht präzise kontrollieren und steuern. Dies ist eine grundlegende Voraussetzung für die Realisierung einer zukünftigen Plattform zur optischen Kommunikation und Informationsverarbeitung. Hat man zusätzlich Kontrolle über die Absorption bzw. Emission individueller Photonen, dann ermöglicht dies die Realisierung von Protokollen,diequantenmechanische Konzepteausnutzen.SogenannteLicht-Materie Quantenschnittstellen ermöglichen eine derartige Kontrolle und nehmen damit eine Schlüsselrolle für die Realisierung zukünftiger optischer Quantentechnologien ein. Das Ziel dieses Projekts ist die Realisierung einer neuen physikalischen Plattform für effiziente und faserintegrierte Quantenschnittstellen. Das Schlüsselelement dieser Plattform ist ein neuartiger, faserbasierter Ringresonator. Ein Teil des Resonators enthält eine sogenannt optische Nanofaser, d.h. eine optische Faser mit einem Durchmesser von wenigen 100 Nanometern, die damit dünner als die Wellenlänge des geführten Lichts ist. In diesem Nanofaserabschnitt läuft ein großer Teil des geführten Lichts außerhalb der Faser in Form eines evaneszenten Felds. Trotzdem ist diese Propagation im wesentlichen Verlustfrei. Gleichzeitig ist das Lichtfeld in der Nanofaserregion extrem stark komprimiert, so dass es effizient an Atome gekoppelt werden kann, die entlang der Nanaofaser gefangen sind. Dadurch erhält man eine Quantenschnittstelle mit sehr geringen optischen Verlusten und gleichzeitig extrem hohen Licht-Atom Kopplungsstärken. Das erlaubt es neue, bisher unerforschte Bereiche der Licht-Materie-Wechselwirkung experimentell zu realisieren und zu untersuchen, wie z.B. das sogenannte Multimoden Regime der starken Wechselwirkung. Ein weiteres Ziel des Projektsist, diesesResonatorsystem als neuePlattform zur Quanteninformationsverarbeitung zu etablieren. Dazu integrieren wir den Resonator auf einen Atomchip, d.h. einer chip-basierten Plattform zur Manipulation und Kühlung von Atomen. Der Resonator erzeugt dabei eine langreichweitige Wechselwirkung zwischen den Atomen des Atomchips. Dadurch lässt sich das Resonatorsystem dann zu einem integrierten Quantumcomputer auszubauen. DieexperimentelleDemonstration dieserneuartigen Plattform für Quanteninformationsverarbeitung eröffnet neue Wege zur Realisierung zukünftiger Computer und ist damiteinessentieller Beitrag,um den weiteren Fortschrittder modernen Informationstechnologie sicherzustellen.

Die Realisierung zukünftiger photonischer Informations- und Kommunikationsarchitekturen erfordert die präzise Kontrolle des Lichtflusses in integrierten optischen Bauelementen. Gelingt es, diese Kontrolle auf der Ebene fundamentaler Quantenprozesse wie der Absorption und Emission einzelner Photonen zu erreichen, wird es möglich, Quanteneigenschaften in zukünftige Anwendungen zu integrieren. Bauelemente, die diese grundlegende Quantenkontrolle ermöglichen, werden als Licht-Materie-Quantenschnittstellen bezeichnet, und ihre effiziente und skalierbare Realisierung verspricht, photonische Quantentechnologien für kommerzielle Anwendungen verfügbar zu machen. Um das erforderliche Maß an Kontrolle in solchen Systemen zu erreichen, werden Photonen typischerweise auf kleine Volumina in sogenannten optischen Kavitäten oder optischen Resonatoren beschränkt. Auf diese Weise kann ihre Wechselwirkungsstärke mit dem Emitter deutlich erhöht und ihre Absorption und Reemission durch den Emitter deterministisch gesteuert werden. Ziel des Projekts NanoFire ("Nanofiber Ring Resonator") war es, resonatorverstärkte Atom-Photon-Wechselwirkungen in einem neuen Regime zu untersuchen, bei dem die Photonen im Gegensatz zum Standardansatz mit sehr kurzen optischen Kavitäten in einem extrem langen optischen Ringresonator mit einer Umlauflänge von etwa 40 m gespeichert werden. Der Resonator besteht aus einer langen Glasfaserschleife, die einen 1 cm langen Nanofaserabschnitt enthält. In diesem Abschnitt beträgt der Faserdurchmesser nur etwa 450 nm, also weniger als die Wellenlänge der sich ausbreitenden Photonen. Dadurch propagiert ein großer Teil des Lichts als evaneszentes Feld außerhalb der Nanofaser. Dies ermöglicht es, lasergekühlte Atome an das Lichtfeld des Resonators anzukoppeln. Auf diese Weise wurde eine neue Art von gekoppelten Atom-Resonator-Systemen realisiert, die starke Licht-Materie-Kopplung im sogenannten multimodalen (multimode) oder superstarken Kopplungsbereich ermöglichen. Hierbei übersteigt die kollektive Atom-Resonator-Kopplungsstärke den freien Spektralbereich des Resonators, so dass die Atome gleichzeitig stark mit Photonen in verschiedenen longitudinalen Resonatormoden wechselwirken. Im Rahmen des NanoFire-Projekts haben wir die Licht-Materie-Wechselwirkung in diesem neuen Wechselwirkungsbereich experimentell nachgewiesen, indem wir ein Ensemble von etwa 1000 Cäsiumatomen an den Faserringresonator gekoppelt haben. Wir haben detaillierte theoretische und experimentelle Studien über die physikalischen Eigenschaften der Atom-Licht-Wechselwirkung in diesem neuen Regime durchgeführt und auch den Übergang zum traditionellen Bereich der starken Licht-Materie-Kopplung mit konventionellen (kurzen) Resonatoren experimentell untersucht. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis der Natur der Atom-Licht-Kopplung bei und bilden die Grundlage für zukünftige Studien und Anwendungen, die die vorteilhaften Eigenschaften dieses neuen Kopplungsregimes nutzen.