Quantendynamik von opto- und nanomechanischen Systemen

Im Laufe der letzten Jahre wurden Laserkühlmethoden für mikro- und nanomechanische Resonatoren in verschiedenen Experimenten erfolgreich demonstriert und das Kühlen einzelner Vibrationsmoden bis nahe an den quantenmechanischen Grundzustand erreicht. Diese ist ein erster wichtiger Schritt einer technologischen Entwicklung, die es uns in naher Zukunft ermöglichen wird, die Gesetze der Quantenmechanik auch anhand von makroskopischen Objekten zu studieren. Im Hinblick auf die rasanten experimentellen Fortschritte auf diesem Gebiet ist die generelle Zielsetzung dieses Projekts ein besseres theoretisches Verständnis für die Physik von opto- und nanomechanischen Systemen im Quantenregim zu entwickeln. Dies beinhaltet einerseits die Analyse von neuen physikalischen Effekten, welche auf der Quantisierung der makroskopischen Bewegungfreiheitsgrade basieren, andererseits aber auch die Beschreibung potentieller Anwendungen dieser Systeme, um langfristige Perspektiven für dieses noch junge Forschungsgebiet zu eröffnen. Das Projekt ist dabei auf drei Schwerpunkte fokussiert. Im ersten Teil des Projekts soll die Kopplung zwischen NV-Störstellen und isolierten Vibrationsmoden in Diamantnanostrukturen untersucht werden. Das Ziel ist hier, NV-Zentren zur Quantenmanipulation von isolierten Phononmoden zu verwenden und Phononen-medierte Wechselwirkungen von Störstellenatomen in Hinblick auf Anwendungen für die Quanteninformationsverarbeitung zu untersuchen. Im zweiten Teil des Projekts soll anhand von konkreten physikalischen Implementierungen die Rolle von Quantenmanipulationsmethoden zur Verbesserung von nanomechanischen Sensoren eruiert werden. Einen dritten Schwerpunkt dieses Projekts bildet die Dynamik von opto-mechanischen Systemen mit stark nicht-linearen Kopplungen. Hier werden wir uns in erster Linie den elementaren Eigenschaften und nicht-trivialen Quanteneffekten dieser Systeme zuwenden. In diesem Zusammenhang sollen auch verscheidene Erweiterungen opto-mechanischer Modelle, z.B. Ketten von gekoppelten opto-mechanischen Resonatoren betrachtet und die daraus resultiereden Zwei- und Vielteilcheneffekte untersucht werden.

Im Laufe der letzten Jahre wurden Laserkühlmethoden für mikro- und nanomechanische Resonatoren in verschiedenen Experimenten erfolgreich demonstriert und das Kühlen einzelner Vibrationsmoden bis nahe an den quantenmechanischen Grundzustand erreicht. Dies ist ein erster wichtiger Schritt einer technologischen Entwicklung, die es uns in Zukunft ermöglichen wird, die Gesetze der Quantenmechanik auch anhand von makroskopischen Objekten zu studieren. Im Rahmen dieses Projekts wurden zahlreiche theoretische Arbeiten durchgeführt, um ein besseres Verständnis für die Physik von opto- und nanomechanischen Systemen im Quantenregime zu entwickeln, aber vor allem auch, um neue Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung aufzuzeigen. In diesem Zusammenhang lag ein zentraler Schwerpunkt dieses Projekts in der Beschreibung von mechanischen Quantenschnittstellen zur Übertragung von Quanteninformationzwischen verschiedenen physikalischen Systemen.Solche Schnittstellen können zum Beispiel dazu benutzt werden, Quanteninformation, welche in einem einzelnen gebundenen Elektron gespeichert ist, in ein Photon umzuwandeln, welches diese Information dann über weite Entfernungen übertragen kann. Parallel zu diesen Ideen wurde im Rahmen dieses Projekts das Konzept von phononischen Quantennetzwerken entwickelt, in welchen Quantenzustände rein durch mechanische Schwingungen, welche sich entlang strukturierter Bahnen bewegen, übertragen werden können. Dieses Konzept ist vor allem für die Kopplung von NV-Störstellen in Diamant interessant, die sich zwar hervorragend als Quantenspeicher eignen, für die es aber bis heute noch keine effiziente Methode zur Übertragung der Daten existiert. Im Rahmen dieses Projekts wurde weiters gezeigt, wie Vibrationsmoden mit Hilfe von einzelnen Störstellenatomen nicht nur gekühlt, sondern auch geheizt, oder in einen Phonon- Laser Zustand getrieben werden können. Dabei wurden diese Techniken zum ersten Mal auch für Resonator-Netzwerke analysiert, in welchen Teile gekühlt und andere Teile mit gleicher Rate geheizt werden. Die Analyse der resultierenden Energieströme in solchen Netzwerken unter dem Einfluss von thermischen und Quantenrauschen hat zur Entdeckung von neuartigen Phasenübergängen in solchen Systemen geführt, welche für Energietransport auf mikroskopischer Ebene eine wichtige Rolle spielen.