Experimentelle Realisierung atomvermittelter Erzeugungsprozesse für Photonenpaare

• Antragsteller: Dr. Sina Saravi
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537709534

Eine der großen Herausforderung für die Realisierung optischer Quantencomputer und Simulationsprotokolle ist die Realisierung integrierter und qualitativ hochwertiger Einzelphotonenquellen. Aktuell existieren zwei wesentliche Ansätze für die On-Chip-Einzelphotonenerzeugung: Die Verwendung von Festkörperemittern, wie Quantenpunkte und Farbzentren, oder die Verwendung von nichtlinearen Photonenpaarquellen, die aus nichtlinearen optischen Elementen bestehen. Jeder Ansatz hat Vor- und Nachteile, die sich eher komplementär zueinander verhalten, und derzeit weist keiner der beiden Ansätze die benötigte Leistungsfähigkeit auf. Im Projekt streben wir deshalb eine proof-of-principle Realisierung der hybriden atomvermittelten Photonenpaar-Erzeugung (atom-mediated photon pair generation - AMPG) an. Dies ist ein Vorschlag, der die beiden existierenden Quellenansätze kombiniert, um deren Limitierungen zu überwinden. Im AMPG-Schema kann ein atomähnliches System, das in ein nichtlineares mikro- oder nanostrukturiertes Element eingebettet ist, die Dynamik der Paarbildung modifizieren und damit theoretisch die unerwünschten probabilistischen Eigenschaften nichtlinearer Einzelphotonenquellen umgehen. Dabei verleiht das atomähnliche System einem nichtlinearen System seine vorteilhaften Eigenschaften, wobei die niedrige optische Zustandsdichte eines optischen Elementes, z.B. zwischen den Resonanzen eines Resonators ausgenutzt wird. Für die experimentelle Realisierung dieses hybriden Systems wählen wir Farbzentren in 2D-Flocken aus hexagonalem Bornitrid (hBN). Für die Verwendung von Festkörperemittern in linearen mikro- oder nanostrukturierten Elementen gibt es bereits viele Beispiele. Demgegenüber stellt das quanten-nichtlineare Regime und die Hybridisierung mit dem atomähnlichen System ganz neue Herausforderungen an die experimentelle Realisierung. Erste Ziel des Projekts ist daher die theoretische und experimentelle Untersuchung verschiedener praktischer Aspekte einer solchen Implementierung mit dem Ziel, der erfolgreichen Demonstration des AMPG-Effekts. Dies umfasst die Optimierung des Pumpregimes für den Betrieb der Farbzentren und das optimale Design eines faserbasierten nichtlinearen Mikroresonators, welcher am besten für eine solche Implementierung geeignet ist. Nächstes Ziel ist die Charakterisierung des hybriden AMPG-Systems, bestehend aus einer hBN-Flocke mit einem Farbzentrum platziert innerhalb des optimierten nichtlinearen Mikroresonators. Hier streben wir an, verschiedene Signaturen des AMPG-Effekts zu messen, indem wir Spektral- und Korrelationsmessungen der erzeugten Einzelphotonen durchführen. Die Ergebnisse dieses Projekts werden den Weg zur Realisierung idealer Quellen von Einzelphotonen durch den AMPG-Effekt eröffnen, der prinzipiell auch auf andere optische Plattformen und atomähnliche Systeme erweitert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Pertsch