Photonische Netzwerke für einzelne Emitter der seltenen Erden

• Antragsteller: Dr. Roman Kolesov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262528081

Das Ziel dieses Projekts ist die Einbeziehung von einzelnen Emittern seltener Erden in photonische Netzwerke für die Quanteninformationsverarbeitung. Dies wird durch die Dotierung von Festkörperkristallen mit einzelnen Atomen seltener Erden Elemente erreicht. Das Projekt baut dabei auf die vor Kurzem erzielte Detektion von einzelnen in Kristalle dotierten seltenen Erden Ionen [1,2,3] und auf den präzisen Untersuchungen zu deren Spin-Eigenschaften [4] auf. Darüber hinaus konnten die wellenleitenden Eigenschaften des Wirtskristalls gezeigt werden, welcher dafür in Form einer dünnen Schicht auf einem Substrat mit niedrigem Brechungsindex präpariert wurde [5,6]. Der hier vorgeschlagene Ansatz erlaubt, auf technisch einfache Weise, die Erzeugung einer Vielzahl photonischer Elemente wie z. B. Wellenleiter, Resonatoren, Strahlteiler, chip-basierte Laser uvm., welche die gewünschten seltenen Erden enthalten. Im Vergleich mit anderen Architekturen für den Aufbau von Quantennetzwerken, wie z. B. mit Hilfe von Quantenpunkten (QDs) und NV-Zentren (NVs) in Diamant besteht der wesentliche Vorteil von den auf seltenen Erden basierenden Systemen in deren einfacher Integrierbarkeit. Die bei QDs und NVs auftretenden Probleme, wie z. B. die zielgerichtete Positionierung innerhalb der photonischen Strukturen, deren vorhandene spektrale Diffusion und deren optische Stabilität (blinking) sind im Fall von seltenen Erden, sofern sie dort überhaupt auftreten, wesentlich besser kontrollierbar. Zusätzliche Vorteile dieser Systeme ergeben sich aus den bereits hoch entwickelten Technologien zur Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten des Wirtskristalls, die es erlauben, fast beliebige Strukturen zu erzeugen, ohne dabei die Kohärenzeigenschaften der einzelnen selten Erden-Elemente zu beeinflussen. Nach der erfolgreichen Durchführung des aktuellen Projekts wird es möglich sein, in einer technologisch vorteilhaften Weise chipbasierte Strukturen für die Kopplung von Licht und Materie zu erzeugen. Besonders hervorzuheben ist dabei die Realisierung von chipbasierten, schmalbandigen Einzelphotonenquellen, Zweiphotoninterferenz und Spin-Photon Verschränkung. Diese sind entscheidende Voraussetzungen für die Quantenfehlerkorrektur in skalierbaren Quantennetzwerken. Neben den technologischen Vorteilen könnte der vorgeschlagene Ansatz einen wesentlichen Beitrag zur Grundlagenforschung durch Untersuchungen zur Quantenelektrodynamik von Resonator-Strukturen in Festkörpersystemen mit wenigen oder sogar einzelnen Emittern und einer kontrollierbaren Anzahl von Photonen innerhalb des Resonators leisten. Dies beinhaltet Effekte wie optische Bistabilität, 'conditional phase shifts' etc. Darüber hinaus öffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten, physikalische Phänomene wie z. B. Photonensprünge in Anordnungen vieler Resonatoren zu untersuchen. Die spannendsten unter diesen wären Majorana-artige Lichtmoden in Resonatorketten und Quantenphasenübergänge in Gitterstrukturen aus Resonant

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen