Seltene-Erd-basierte Einzelphotonenquellen für die Quantentelekommunikation, kompatibel mit Spin-Quantenspeichern

• Antragsteller: Dr. Roman Kolesov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 379110753

Das Projekt zielt auf die Herstellung von Einzelphotonenquellen im Telekom Wellenlängenbereich ab, basierend auf einzelnen seltene Erd Ionen (insbesondere Erbium) als Emitter, welche in optische Kristalle dotiert wurden. Die entscheidenden Vorteile der vorgeschlagenen Einzelphotonenquellen sind deren tatsächliche Einzelphotonenemission, deren Fourier limitierte Linienbreite, sowie die Möglichkeit emittierte Photonen direkt wieder in optischen Medien zu speichern, welche auf seltenen Erden basieren. Letzteres ist äußerst wünschenswert für die Realisierung von Quantenrepeatern. Das Vorhaben macht sich die Erhöhung der Emissionsrate der seltenen Erd Ionen durch Effekte der Resonator-Quantenelektrodynamik zunutze. Die normalerweise geringe Helligkeit von Erbium Ionen kann hierbei um mehrere Größenordnungen zunehmen, indem diese an optische Resonatoren mit hohen Gütefaktoren koppeln. Es wird vorgeschlagen, die Resonatoren aus dünnen und verlustarmen Titandioxid- oder Lithiumniobatfilmen anzufertigen, welche auf dotierte optische Kristalle abgeschieden wurden. Die Kopplung zwischen Emitter und Resonator wird dann durch das evaneszente Feld der Resonatormode gewährleistet, welches ausreichend stark in den Subtratkristall eindringt. Das Verhalten der Einzelphotonenquelle wird anhand ihrer Helligkeit und der Ununterscheidbarkeit der emittierten Photonen mit Hilfe eines Hong-Ou-Mandel Experiments beurteilt. Die erfolgreiche Durchführung des Projektes wird die Entwicklung einer vielseitigen Methode zur Herstellung von on-chip skalierbaren Einzelphotonenquellen für die Quantentelekommunikation zur Folge haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Two-channel superconducting infrared detector
• Gerätegruppe: 5800 Photodetektoren, -zellen, -widerstände für UV-VIS