Festkörper Interface kohärent zwischen Mikrowellen und Telecom-C Licht

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Eschner, seit 12/2019
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364324902

Quantenkommunikationsnetzwerke sind in der Lage einen vollständig sicheren Informationsaustausch zu gewährleisten. Diese Eigenschaft basiert auf dem Versenden von quantenmechanisch verschränkten Zuständen innerhalb ausgedehnter Rechnerarchitekturen. Die Kernelemente zukünftiger Quantennetzwerke, d.h. Quanten-Repeater sowie Netzwerk-Knoten, können mit Hilfe von Qubits und Quantenspeichern von verschiedenster physikalischer Natur realisiert werden. Gegenwärtig wurden bereits grundlegende Quantennetzwerke demonstriert, welche zwei, räumlich getrennte, einzelne Atome verbinden. Festkörper-basierte Systeme, wie etwa supraleitende Quanten-Schaltkreise, nanomechanische Systeme und dotierte Festkörper ermöglichen jedoch potentiell bessere Skalierbarkeit sowie höhere Geschwindigkeiten als Netzwerke basierend auf einzelnen Atomen. Solche festkörper-basierten Systeme arbeiten hingegen oftmals im Bereich der Mikrowellen oder Radiofrequenzen, welche eine Langstreckenkommunikation aufgrund von Verlusten in Kabeln und hohen Rauschtemperaturen (ca. 100K) von Antennen für Richtfunk-Kommunikation im Vergleich mit faser-optischen Kanälen deutlich erschweren. Um eine solche faser-optische Verbindung zu realisieren muss ein sogennanter Quantenmedien-Konverter eingesetzt werden, d.h. ein Gerät welches eine kohärente Vernetzung materie- sowie photonen-basierter Qubits ermöglicht.Dieses Projekt konzentriert sich auf die Frequenzkonversion basierend auf isotopen-angereicherten Yttriumlithiumfluorid-Kristallen (YLiF4), welche mit Erbium-Ionen verschiedener Isotope dotiert wurden. Ein Vorteil dieser seltenerd-dotierten Kristalle liegt in der Möglichkeit der Implementierung von Multimode-Konversionsprotokollen. Solche isotopen-angereicherten Kristalle sind für ihre geringen inhomogenen Verbreiterungen bekannt, eine Eigenschaft die als entscheidend für die Konversion zwischen dem Telekom-C-Band und supraleitenden Qubits betrachtet wird. Dieses Projekt fokussiert sich auf die implementierung einer bi-direktionalen Konversion zwischen kohärenten Mikrowellen und optischen Feldern unter Verwendung solcher Kristalle. Um diese Projektzielsetzung zu erfüllen sollen zudem eine Reihe von Zwischenzielen erreicht werden: Da bislang nur eine geringe Zahl von Experimenten an solchen Kristallen durchgeführt wurden, werden wir zunächst ihre Kohärenzeigenschaften bei Millikelvin-Temperaturen sowie kleinen Magnetfeldstärken, d.h. bei Betriebsbedingungen für supraleitende Qubits, untersuchen. Daran anknüpfend implementieren wir die Konversion von Mikrowellen sowie optischen Feldern in Spin-Anregungen der Dotier-Atome mit Hilfe von elektromagnetisch induzierter Transparenz. Zudem erfolgt eine Messung der Speicherzeit. Abschließend erfolgt dann die Konversion der Spin-Welle in optische Photonen oder Mikrowellen mit Hilfe von optischem Pumpen oder Spin-Echo-Techniken sowie eine Messung der Konversionseffizienzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Pavel Bushev, bis 12/2019