Terahertz-Quantensensorik mit Zweilagigen-Graphen Quantenpunkten in Resonatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Stampfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534269806

Quantentechnologien versprechen beispiellose Fortschritte in Bereichen der Sensorik, Hochleistungsrechner, Simulation, Kryptographie und Metrologie. Bisher wurden vor allem Technologien im Mikrowellen- und optischen Bereich eingesetzt und haben ein ungenutztes Potenzial im Terahertz (THz)-Spektralbereich. Die Nutzung dieses Frequenzbereichs könnte eine Reihe von Vorteilen mit sich bringen, z. B. eine höhere Sicherheit der drahtlosen Kommunikation durch Quantenkryptografie und eine Erhöhung der Betriebstemperatur von Festkörper-Qubits. Darüber hinaus ebnet die Möglichkeit mit Hilfe der THz-Strahlung Quantenzustände zu manipulieren, den Weg für neue Quantenberechnungs- und Simulationsplattformen. Zudem kann die Durchlässigkeit durch ansonsten undurchsichtige Materialien oder die Robustheit gegenüber Rayleigh-Streuung wichtige Vorteile der THz-Strahlung für Quantensensoranwendungen sein. Trotz dieser Aussichten sind THz-Quantensysteme aufgrund der relativen Unreife der THz-Technologie im Vergleich zu Mikrowellen- und optischen Systemen noch relativ unerforscht. "ThinQ" ist ein bahnbrechendes Projekt, das in den unerforschten Bereich der Terahertz-Quantenmessung vorstößt. Durch die Nutzung der einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Bernal-gestapelten Zweilagigen-Graphen (engl. bilayer graphene (BLG)) Quantenpunkten (QDs), die an THz-Resonatoren gekoppelt sind, zielt das Projekt darauf ab, eine neue Technologie für die THz-Quantensensorik zu entwickeln, die über das sogenannte Standard-Quantenlimit hinausgeht. Das Projekt ist in zwei primäre Schwerpunktbereiche unterteilt. Der erste konzentriert sich auf die Entwicklung und Charakterisierung von THz-Photonen-Detektoren. Dabei werden BLG-Doppel-QDs (DQDs) verwendet, die an einen THz-Resonator mit hohem Qualitätsfaktor gekoppelt sind, um die Licht-Materie-Wechselwirkung zu verbessern. Ziel ist es, den Nachweis von THz-Photonen mit überlegener Quanteneffizienz zu erbringen und den Ansatz für den Nachweis einzelner THz-Photonen zu verfeinern. Der zweite Schwerpunktbereich befasst sich mit der Quantensensorik jenseits des Standard-Quantenlimits, indem nichtklassisches Licht nutzbar gemacht wird. Indem wir die starke Kopplung eines THz-Resonators mit BLG DQD nutzen, wollen wir gequetschtes THz-Licht erzeugen, einen Quantenzustand, der die Möglichkeiten klassischer Sensoren übertrifft. Darüber hinaus wird das Projekt den Bereich der ultrastarken Kopplung für die Erkennung von nicht-klassischen Zuständen von THz-Licht erforschen. Zusammenfassend wird mit "ThinQ" ein kühner Versuch unternommen, das Potenzial der THz-Quantentechnologie zu erschließen. Durch die Integration von BLG-QDs und THz-Resonatoren werden wir THz-Detektoren mit unübertroffener Empfindlichkeit und neuartigen Bauteilen für die Quantensensorik mit gequetschtem Licht entwickeln. Dies wird die Tür zu neuartigen Verschlüsselungs- und Rechenverfahren öffnen und zum Fortschritt der Quantentechnologie im THz-Bereich beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweden
• Kooperationspartnerinnen: Dr. Juliette Mangeney; Professorin Dr. Janine Splettstößer