Tieftemperatur-Spektroskopie-Messplatz
Final Report Abstract
I. Experimente zur Frequenzkonversion einzelner Photonen aus Halbleiter-Quantenpunkten (Kooperation Prof. Peter Michler, Universität Stuttgart): 1. Experimente zur Quantenfrequenzkonversion (QFC) mit einzelnen Photonen aus Halbleiterquantenpunkten (teilweise Betrieb in Kryostat): Die von Halbleiter-Quantenpunkten emittierten Photonen mit einer Wellenlänge von 905 nm wurden in das Telekom C-Band bei 1557 nm konvertiert und anschließend mit Hilfe der supraleitenden Einzelphotonendetektoren detektiert. Ziel war es hierbei insbesondere die Ununterscheidbarkeit der konvertierten Photonen in einem Hong-Ou-Mandel-Interferometer zu untersuchen. Dies gelang erfolgreich für konsekutiv aus einem einzelnen Quantenpunkt emittierte Photonen, als auch für Photonen, welche aus zwei unabhängigen Quantenpunkten emittiert wurden und für die QFC die Frequenzunterschiede durch Konversion zu einer gemeinsamen Wellenlänge auslöschte. II. Experimente zu Schnittstellen zwischen gefangenen Ionen und Photonen in den Telekom-Bändern (Kooperation: Prof. Jürgen Eschner, Universität des Saarlandes): Für alle im Folgenden genannten Experimente sind effiziente, rauscharme Einzelphotonendetektoren mit hoher Zeitauflösung für Telekom-Photonen notwendig. Eine gleichzeitige Kombination dieser Eigenschaften lässt sich lediglich mit supraleitenden Einzelphotonendetektoren erreichen, die bei allen folgenden Experimenten eingesetzt wurden und wesentlich zu deren Erfolg beigetragen haben. 1.Absorption eines einzelnen Photons durch ein einzelnes Ion, angekündigt durch ein Telekom-Photon: In diesem Experiment wurde eine Photonenpaarquelle aufgebaut, bei der ein Photon resonant zu einem Übergang im Ca-Ion im nahen Infraroten ist, während das Partnerphoton in einem der Telekombänder liegt. Die Absorption des nahinfraroten Photons von einem Ca-Ion kann damit durch das verbleibende Telekom-Photon angekündigt werden. 2. Ankündigung eines einzelnen Telekom-Photons mittels Wellenlängen-Multiplexing in einer Glasfaser: In diesem Experiment wurde der Erhalt der zeitlichen Korrelation eines Photonenpaares nach Propagation in einer 20km langen Glasfaser gezeigt. Dazu wurde ein Photon des Paares ins Telekom O-Band konvertiert und mit einem Laserpuls, der als „Herald“ dient, in einer optischen Glasfaser überlagert (“Multiplexing“). 3. Demonstration der Erhaltung von Kohärenz und Verschränkung einzelner angekündigter Photonen nach Frequenzkonversion: Hier wurde der Erhalt der Kohärenz zweiter Ordnung sowie der Energie-Zeit-Verschränkung eines Photonenpaares während der Quantenfrequenzkonversion (Schema wie II.1) demonstriert. 4. Hocheffiziente Quelle angekündigter Einzelphotonen bei Telekomwellenlängen basierend auf einem PPLN-Wellenleiter: In diesem Experiment wurde eine Photonenpaarquelle für angekündigte Einzelphotonen mit hoher Emissionsrate im Telekom O- bzw. C-Band aufgebaut und charakterisiert. 5. Demonstration von Verschränkung zwischen einem gefangenen Ion und einem Telekom- Photon mit hoher Güte mittels Quantenfrequenzkonversion: In diesem Experiment wurde die Verschränkung des internen Zustands eines Ca-Ions mit dem Polarisationszustand eines Telekom-Photons gezeigt. Dazu wurde ein Frequenzkonverter für polarisationserhaltende Konversion aufgebaut und eingesetzt. III. Vorarbeiten zur Kopplung einzelner Festkörperemitter an fasergekoppelte Mikroresonatoren: Der Messplatz aus Helium-Kryostat, Nanopositionierer und Einzelphotonendetektor wurde zur Tieftemperatur-Spektroskopie an NV-Zentren in Nanodiamanten und dünnen Diamantmembranen eingesetzt. Als Ergebnis wurde die Limitierung der Nullphononen-Linienbreite durch spektrale Diffusionseffekte zweifelsfrei nachgewiesen. Dieses Ergebnis ist eine wichtige Grundlage für weitere Arbeiten zur Kopplung von NV-Zentren an optische Resonatoren bei tiefen Temperaturen.
Publications
- Telecomheralded single-photon absorption by a single atom; Phys. Rev. A 92, 063827 (2015)
A. Lenhard, M. Bock, C. Becher, S. Kucera, J. Brito, P. Eich, P. Müller, and J. Eschner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.92.063827) - Highly efficient heralded singlephoton source for telecom wavelengths based on a PPLN waveguide; Opt. Express 24, 23992 (2016)
M. Bock, A. Lenhard, C. Chunnilall, and C. Becher
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.24.023992) - Low-noise quantum frequency downconversion of indistinguishable photons; Opt. Express 24, 22250 (2016)
B. Kambs, J. Kettler, M. Bock, J.N. Becker, C. Arend, A. Lenhard, S.L. Portalupi, M. Jetter, P. Michler, and C. Becher;
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.24.022250) - Single telecom photon heralding by wavelength multiplexing in an optical fiber; Appl. Phys. B 122:20 (2016)
A. Lenhard, J. Brito, S. Kucera, M. Bock, J. Eschner, and C. Becher
(See online at https://doi.org/10.1007/s00340-015-6284-9) - Coherence and Entanglement Preservation of Frequency- Converted Heralded Single Photons; Opt. Express 25, 11187 (2017)
A. Lenhard, J. Brito, M. Bock, C. Becher, and J. Eschner
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.25.011187)
