Grundlagen derQuantenphysik mittels hybrider Photonik

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Vogl
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550846026

Die Quantenmechanik als physikalische Theorie beruht auf einer Reihe grundlegender Postulate. Zwei davon, nämlich die Darstellung der Wellenfunktion mit komplexen Zahlen sowie die Born’sche Regel, können mit einzelnen (Licht-)Quanten in Multi-Pfad-Interferometern mit schaltbaren Pfaden getestet werden. Die Genauigkeit und Präzision dieser Tests hängt von der Stabilität und dem Durchsatz der Interferometer sowie von der Kontrolle über andere Fehlerquellen ab, die mit den Schaltverhältnissen und Nichtlinearitäten im Experiment zusammenhängen. Zwei experimentelle Grundlagen, welche für sich genommen nachgewiesen wurden, besonders gute Ergebnisse für solche Tests zu erzielen, sind integrierte Wellenleiter-Interferometer und helle, reine Einzelphotonenquellen. Unser Ziel ist es, diese Bestandteile zu kombinieren und die beiden Postulate der Quantenmechanik mit erhöhter Genauigkeit (um eine Größenordnung gegenüber dem Stand der Technik) in einem einzigen Experiment zu testen. Dies wird ermöglicht durch die Kombination der neuesten Fortschritte bei hexagonalen Bornitrid (hBN)-Einzelphotonen-Emittern mit integrierten Photonik basierend auf Lithiumniobat-auf-Isolator (LNOI) in einer einzigen Plattform. Um dies zu erreichen, werden wir LNOI-Wellenleiter-Interferometer mit 50 dB Extinktionsverhältnis, thermooptischen Schaltern und minimiertem Übersprechen zwischen den Pfaden entwickeln und herstellen. Diese Interferometer werden mit hBN-Emittern in einen hybriden photonischen Schaltkreis integriert, wobei eine Kopplungseffizienz von 20% oder mehr angestrebt wird. Eine weitere Entwicklung ist die On-Chip-Frequenzkonversion von der natürlichen hBN-Emissionswellenlänge bei 575 nm in das Telekommunikations-C-Band (1550 nm), was für das Interferometer-Design von Vorteil ist und zusätzlich auch die ideale Wellenlänge für die Quantenkommunikation über große Entfernungen mittels Glasfasern darstellt. Die hBN-Emitter werden außerdem unter Bedingungen angeregt, die Fehler durch die Nichtlinearität von Einzelphotonendetektoren minimieren. Wir erwarten mit dem Projekt die Grundlagen der Quantenmechanik mit Rekordgenauigkeit zu testen und dadurch mögliche Abweichungen für verallgemeinerte Quantentheorien stark einzuschränken. Darüber hinaus liefern die Experimente einen Benchmark für die neuartige hybride hBN-LNOI-Plattform, welche wir im Laufe des Projekts entwickeln werden. Aufgrund der direkten und effizienten Kombination eines hellen und reinen Raumtemperatur-Einzelphotonenemitters mit einem Wellenleitersystem, welches in der Lage ist, mit einem hohen Extinktionsverhältnis zu schalten und eine flexible, effiziente On-Chip-Frequenzumwandlung zu ermöglichen, erwarten wir ein breites Anwendungspotenzial der Technologie in der Quantenkommunikation und für den optischen Quantencomputer.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Rachel Grange; Dr. Robert Keil