Ein MEMS basierter Ionen-Knotenpunkt im Quantennetzwerk

So wie wir uns von der Grundlagenforschung in der Quantenphysik hin zu einer neuen Ära der Quanten-Technologien bewegen, wird daran gearbeitet, Laborexperimente, die deren grundlegende Machbarkeit zeigen, in kompakte und skalierbare Geräte umzusetzen. In diesem Projekt arbeiten wir an der Konstruktion eines skalierbaren Interface zwischen gefangenen Ionen eine der führenden Plattformen für Quanten-Technologien und einzelnen Photonen. Es wird erwartet, dass solche Interfaces einen wesentlichen Bestandteil von zukünftigen Quanten-Netzwerken darstellen. Wir werden eine Ionen-Falle testen, die auf einem Mikro-Elektronisch-Mechanischen-System (MEMS) basiert. MEMS sind Geräte, die aus sehr kleinen sich bewegenden Teilen bestehen und auf Technologien der Halbleiter-Industrie beruhen. Diese Technologie wird es uns ermöglichen, zwei optische Glasfasern in eine Ionen-Falle zu integrieren und die Position beider Fasern zu steuern. Die Facetten der beiden Fasern werden mit hoch reflektierenden Spiegeln beschichtet. Indem die Spiegel gegenüber positioniert werden, formen sie einen so genannten optischen Resonator. Der Resonator ermöglicht es uns, einzelne Lichtteilchen, Photonen, von einem einzelnen ionisierten Kalzium-Atom aufzusammeln. Es versetzt uns darüber hinaus in die Lage, Photonen effizient zu dem Ion zu bringen und die quantenmechanische Wechselwirkung zwischen dem Ion und dem Photon zu kontrollieren. Wir werden die Kernfrage untersuchen, ob dieses miniaturisierte Gerät mit der gegenwärtigen Leistung von viel größeren Labor-Aufbauten konkurrieren kann. Wenn ja, könnte es uns Quanten-Kommunikation in Netzwerken von Ionen über weite Strecken erlauben und uns Möglichkeiten eröffnen, die mit heutigen Netzwerken nicht umsetzbar sind. Zusammen mit unseren internationalen Partnern haben wir eine Machbarkeitsstudie über das geplante Design durchgeführt, die vielversprechende Ergebnisse erzielte. Dieses Projekt wird es uns nun ermöglichen, das Design in die Praxis umzusetzen und zu testen. In diesem Prozess werden wir neue Techniken entwickeln, die eine umfassende Relevanz für neue Quanten-Technologie haben. Dazu gehören neue Methoden zur Herstellung von Faser-Resonatoren mithilfe von Laser-Bearbeitung, sowie die Integration von Wellenleitern in Ionen-Fallen.