Einzelphotonenspektren für hybride Quantennetzwerke

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Schnittstelle für Photonen mit inkompatiblen spektralen Eigenschaften in einem hybriden Quantennetzwerk. Diese Schnittstelle wird mittels aktiver zeitlicher und spektraler Modulation der Photonen realisiert. Ein Quantennetzwerk verbindet unterschiedliche Quantensysteme um komplexe Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung auszuführen. Die Verbindung zwischen den Knoten des Netzwerks wird dabei durch Photonen, die sich über optische Kanäle (typischerweise Fasern) ausbreiten, realisiert. Ein hybrides Quantennetzwerk besteht aus Knoten unterschiedlichen Typs, z.B. Quatenspeichern, Einzelphotonenquellen und Ionenfallen-Quantenprozessoren. In so einem hybriden Netzwerk emittieren und absorbieren die einzelnen Systeme Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen und spektralen Bandbreiten. Für einen erfolgreichen Betrieb des Netzwerks ist es nun erforderlich, dass die Photonen aus seinen unterschiedlichen Knoten miteinander interferieren können (in der sog. Zweiphotoneninterferenz). Das funktioniert jedoch nur dann, wenn die Spektren der Photonen zueinander passen, sowohl in ihrer Zentralwellenlänge, als auch in ihrer Bandbreite. Daher ist es eine der Hauptschwierigkeiten bei der Realisierung hybrider Quantennetzwerke die Spektren von Photonen aus unterschiedlichen Quellen so anzupassen, dass eine Zweiphotoneninterferenz mit hohem Kontrast stattfinden kann. In diesem Projekt werden wir die Technologien entwickeln um genau diese spektrale Anpassung zu erreichen. Konkret werden wir Photonen aus zwei sehr verschiedenen, aber weit verbreiteten Photonenquellen (Quantenpunkte und parametrische Fluoreszenz) zur Interferenz bringen. Im ersten Projektteil werden wir für Photonen mit anfänglich gleicher Zentralwellenlänge die spektrale Bandbreite mittels elektro-optischer Modulation anpassen. In einem zweiten Schritt werden wir dann diese Methode einsetzen um eine Quantenteleportation zwischen den beiden Photonen auszuführen, ein grundlegender Schritt der Quanteninformationsverarbeitung. Schließlich werden wir sowohl die Zentralwellenlänge als auch die Bandbreite der Photonen mittels nichtlinearer optischer Frequenzkonversion anpassen. Außerdem werden wir dabei beide Photonen auf einen etablierten Telekommunikationsstandard einstellen, der für eine effiziente Langstreckenübertragung ausgelegt ist. Bereits existierende Methoden der spektralen Anpassung von Photonen aus unterschiedlichen Quellen basieren entweder auf Filtern, was wegen der hohen Verluste sehr ineffizient ist, oder auf nichtlinearer Umwandlung ohne Bandbreitenanpassung, was naturgemäß nur für Emitter mit anfangs passender Bandbreite funktioniert. Unsere Methode wird die erste sein, die eine gleichzeitige Anpassung von Zentralwellenlänge und Bandbreite ermöglicht. Außerdem sind die Verluste viel geringer als bei rein passiver Filterung. Daher sollten unsere Ergebnisse interessant für die Entwicklung von künftigen hybriden Quantennetzwerke sein.