Hybride Halbleiter-Supraleiter-basierte photonische Quantenschaltkreise

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Michler; Professor Dr. Michael Siegel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279609524

Das Ziel dieses Projekts ist die Verwirklichung einer integrierten Plattform für quantenoptische Bauelemente um eine CNOT-Funktionalität auf einem Halbleiterchip zu demonstrieren. Hierzu müssen Einzelphotonenquellen, Resonatoren und einzelmodige Wellenleiterstrukturen kombiniert mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPD) auf einem Chip realisiert werden. Die Umsetzung einer solchen komplexen Architektur wurde bisher noch nicht gezeigt und stellt einen wichtigen Schritt hin zur miniaturisierten Anwendung der photonischen Quantentechnologien dar. Diese Implementierung verschiedener Baugruppen und Materialien ist nur möglich wenn die physikalischen Prinzipien der Photonenerzeugung und Detektion in dieser integrierten Umgebung detailliert verstanden werden. Als Materialplattform verwenden wir GaAs Wellenleiter in die InAs Quantenpunkte als Lichtemitter eingebettet sind und an die NbN Nanodrähte evaneszent koppeln. Zur Realisierung des obengenannten Ziels müssen mehrere Zwischenschritte erfolgreich gemeistert werden. Neben der Herstellung der Emitter, Splitter, Wellenleiter und Detektorstrukturen, werden wir die Kopplung der Photonen in die Wellenleiter im Detail untersuchen. Für die Demonstration der finalen Funktionalität müssen die erzeugten Photonen in den verschiedenen Wellenleiterarmen ununterscheidbar sein. Hierzu werden verschiedene resonante optische Anregungsschemata in Kombination mit einer elektrischen Abstimmung der Übergangsenergien der Quantenpunkte angewandt. Über verschiedene Wellenleiterkoppler wird dann die Funktion des photonisch integrierten Schaltkreises bestimmt. Diese Koppler müssen auf die Emissionswellenlängen der Einzelphotonen abgestimmt werden und können dann gleichzeitig zur Bestimmung der Ununterscheidbarkeit über eine Zweiphotonen Interferenzmessung dienen. Parallel dazu wird die Integration und Arbeitsweise der Detektoren untersucht. Die Herstellungsweise der supraleitenden Nanodrähte auf dem GaAs Substrat sollte eine nahezu 100%ige Detektionseffizienz der Einzelphotonen, bei der Emissionswellenlänge der Quantenpunkte von etwa 920 nm, aufweisen. Hierzu werden alle Schlüsselparameter wie die Kopplungseffizienz an den Wellenleiter, die intrinsische Detektionseffizienz, sowie das zeitliche Rauschen für unterschiedliche Detektorgeometrien analysiert. Zusätzlich muss für die SNSPDs eine Ausleseelektronik entwickelt werden, die eine Photonenzahl auflösende Detektion in dem integrierten System erlaubt. Schlussendlich müssen alle Einzelkomponenten auf einem Chip zusammen geführt werden. Durch Integration von Filterelementen auf den Wellenleitern wird eine Unterdrückung des resonanten Anregungslichts erreicht, um verlässlich die volle quantenoptische Funktionalität zu demonstrieren. Dieses herausfordernde Ziel ist nur in der bestehenden Kooperation möglich, da hier zwei weltweit führende Gruppen auf den Gebieten der Halbleiterquantenoptik und der supraleitenden Detektoren zusammen arbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Michael Jetter