Grundlagen der Quantenphysik mittels hybrider Photonik

Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir eine neue experimentelle Plattform zur Überprüfung der Grundlagen der Quantenphysik mittels einzelner Lichtteilchen, den Photonen. Dabei streben wir an zwei bestimmte Experimente durchzuführen, mittels derer sich die Eigenschaften der quantenmechanischen Wellenfunktion und ihrer Verbindung zu messbaren Wahrscheinlichkeiten untersuchen lassen. Die Genauigkeit dieser Messungen wollen wir dabei gegenüber bisherigen Untersuchungen um eine Größenordnung steigern. Dieses Ziel soll durch zwei wesentliche technische Neuerungen erreicht werden: Zum einen verwenden wir hexagonales Bornitrid (hBN) als Einzelphotonenemitter mit stabilen und kontrollierbaren Emissionseigenschaften, zum anderen kompakte, stabile, effiziente und verstellbare Wellenleiterinterferometer aus Dünnfilm-Lithiumniobat (engl.: lithium niobate on insulator - LNOI). Die hBN-Emitter erzeugen Photonen mit einer Wellenlänge von 575 nm im gelben sichtbaren Spektralbereich. Sie ermöglichen eine gezielte Emission einzelner Photonen mit einstellbarer Wiederholrate bei sehr guter Unterdrückung unerwünschter Mehrfachemissionen. Besonders praktisch ist, dass diese Emission bei Raumtemperatur funktioniert, so dass keine teuren und aufwändigen Kryostate notwendig sind. Die einstellbare Wiederholrate ist wiederum nützlich um systematische Fehler durch Nichtlinearität in der Einzelphotonendetektion zu vermeiden. Die LNOI Wellenleiterinterferometer werden durch Temperaturänderung einzelner Wellenleiter umgeschaltet, wobei wir einen Schaltkontrast von 1:100 000 anstreben bei gleichzeitiger Minimierung unerwünschten Übersprechens zwischen den Wellenleitern. Beide Systeme werden in einem kompakten Schaltkreis integriert, was an sich technisches Neuland darstellt. Eine weitere Entwicklung wird eine im LNOI-chip integrierte Wellenlängenkonversion von der hBN-Emissionswellenlänge bei 575 nm zum Telekom C-Band (1550 nm) sein. Diese Wellenlänge bietet einerseits technische Vorteile bei der Realisierung des Interferometers und ist andererseits wegen der minimalen Verluste in optischen Fasern ideal für Kommunikation über große Distanzen geeignet. Als Projektergebnis erwarten wir eine Überprüfung der Grundlagen der Quantenphysik mit verbesserter Genauigkeit. Dadurch werden sich die möglichen Eigenschaften verallgemeinerter Quantentheorien weiter einschränken lassen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse die Möglichkeiten und Grenzen der neuartigen hybriden hBN-LNOI Technologie, die wir im Rahmen des Projekts entwickeln, aufzeigen. Durch die nahtlose und effiziente Verbindung eines hellen, raumtemperaturfähigen Einzelphotonenemitters mit einem Wellenleitersystem, das elektrooptisches Schalten mit hohem Kontrast sowie effiziente integrierte Wellenlängenkonversion bietet, erwarten wir ein breites Anwendungspotential dieser Technologie in den Bereichen der Quantenkommunikation sowie des photonischen Quantenrechnens.