Hybrid semiconductor-superconductor photonic quantum circuits
Final Report Abstract
Im Verlauf des Projekts konnte ein vollständig integrierter quantenphotonischer Schaltkreis, welcher drei Hauptkomponenten enthält: Einzelphotonenquellen, realisiert durch Halbleiter-Quantenpunkte, GaAs-Rippenwellenleiter und supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) realisiert werden. In einem ersten Schritt konnten wir ein zuverlässiges, resonantes Anregungsschema für Quantenpunkte in integrierten Wellenleiterstrukturen, unter Dauerstrich- und gepulster Laseranregung implementieren. Die resonante Anregung ist eine Voraussetzung für die Emission von Einzelphotonen mit einem hohen Maß an Ununterscheidbarkeit; eine notwendige Eigenschaft um Photonen für Technologien, die auf Quanteninterferenz basieren zu verwenden. Durch eine geeignete Verringerung der Anregungslaserlinienbreite auf 11 GHz konnte das Streulicht, das sich innerhalb des Wellenleiters ausbreitet, um mehr als einen Faktor vier reduziert werden. Dies führte zum Nachweis von Rabi-Oszillationen, was die kohärente Anregung der Quantenpunkte bestätigte. Mit einem auf dem Chip integrierten Hanbury-Brown und Twiss (HBT) Aufbau wurde eine Korrelationsmessung, sowohl unter gepulster, also auch unter Dauerstrichanregung auf dem Niveau einzelner Photonen erfolgreich durchgeführt. Unter Dauerstrichanregung konnte ein deutlicher, sogenannter antibunching-dip beobachtet werden (g(2)(0) = 0.24 ± 0.06, ohne Untergrundkorrektur). Dies zeigte die volle Funktionalität des vollintegrierten Einzelphotonen-HBT Experiments mit allen Komponenten auf demselben Chip. Unter gepulster Anregung resultierte eine deutliche Unterdrückung von Korrelationen bei verschwindender Zeitverzögerung in einen gemessenen g(2)(0)- Wert von 0.43 ± 0.05, wenn die Dunkelzählraten der Detektoren abgezogen wurden. Dies demonstrierte, dass das komplette Experiment auch unter gepulster resonanter Anregung möglich ist. In einer weiteren Studie konnten Bragg-Resonatoren mit Güte-Faktoren von bis zu 4600, die in die Wellenleiter eingebettet sind, demonstriert werden. Die mit diesen Resonatoren und nicht positionierten Quantenpunkten gemessenen Purcell-Faktoren erreichten Werte bis zu 3.5. Unsere Simulationen ergaben für räumlich und spektral auf das Resonatorfeld abgestimmte Quantenpunkte maximale Purcell-Faktoren von 20, mit unidirektionalen Einkoppeleffizienzen der Photonen in den Wellenleiter von 70 %. Dies zeigt das große Potential dieser Technologie für quantenphotonische Schaltkreise. Des Weiteren konnten photonenanzahlauflösende Einzelphotonendetektoren (SNSPDs), die bis zu 4 Photonen auflösen können, in einem für Wellenleiteranwendungen optimierten Design realisiert werden. Hierbei konnte eine Detektionseffizienz von 22.7 ± 3 bei einer Wellenlänge von 900 nm und einer Pulswiederholfrequenz von 76 MHz erzielt werden.
Publications
- „Generation, guiding and splitting of triggered single photons from a resonantly excited quantum dot in a photonic circuit”, Opt. Express 24, 3089 (2016)
M. Schwarz, U. Rengstl, T. Herzog, M. Paul, J. Kettler, S. L. Portalupi, M. Jetter and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.24.003089) - „Bragg grating cavities embedded into nano-photonic waveguides for Purcell enhanced quantum dot emission“, Opt. Express 23, 30614 (2018)
S. Hepp, S. Bauer, F. Hornung, M. Schwartz, S. L. Portalupi, M. Jetter and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.26.030614) - „Fully on-chip single-photon Hanbury-Brown and Twiss experiment on a monolithic semiconductor-superconductor platform”, Nano Letters 18, 6892 (2018)
M. Schwarz, E. Schmidt, U. Rengstl, F. Hornung, S. Hepp, S. L. Portalupi, K. Ilin, M. Jetter, M. Siegel, and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02794) - “Semiconductor Quantum Dots for Integrated Quantum Photonics”, Review in Advanced Quantum Technologies (36 pages), 1900020 (2019)
S. Hepp, M. Jetter, S. L. Portalupi and P. Michler
(See online at https://doi.org/10.1002/qute.201900020) - „Characterization of a photon-number resolving SNSPD using Poissonian and Sub-Poissonian light”, IEEE Transaction on Applied Superconductivity 29, 2201305 (2019)
E. Schmidt, E. Reutter, M. Schwartz, H. Vural, K. Ilin, M. Jetter, P. Michler and M. Siegel
(See online at https://doi.org/10.1109/TASC.2019.2905566)
