Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit einem einzelnen Silizium-Vakanzzentrum in Diamanten und einem toroidalen Mikrohohlraum mit ultrahohem Q

• Antragsteller: Professor Dr. Sungkun Hong
• 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 551380071

Die Entwicklung hochkooperativer Cavity-Quantenelektrodynamik-Systeme (CQED) mit langlebigem Quantenspeicher ist ein wichtiges Thema in der Quantenwissenschaft, da sie zahlreiche herausragende Quantentechnologien ermöglichen kann. Trotz der jüngsten Fortschritte sind CQED-Systeme mit hoher Kooperativität bisher nur in begrenztem Umfang realisiert worden. In dieser Forschungsarbeit wollen wir ein neuartiges CQED-System entwickeln, das eine starke Kooperativität von weit über eins im unerforschten „Good Cavity“-Regime aufweist. Wir werden dieses Ziel durch die Entwicklung eines hybriden CQED-Systems erreichen, das aus einem einzelnen Silizium-Vakanzzentrum (SiV) in Nanodiamant und einem optischen Mikrotoroid-Resonator mit einem ultrahohen Qualitätsfaktor besteht. Die Idee basiert auf unseren Erkenntnissen, dass eine signifikante Kopplung erreicht werden kann, wenn ein SiV-haltiges Nanodiamant auf der Oberfläche eines Siliziumdioxid-Mikrotoroid-Resonators platziert wird. Die Kopplung ist zwar nicht so stark wie beim derzeitigen Stand der Technik, aber wir stellen fest, dass der Q-Faktor unseres Hohlraums das bestehende System um mehrere Größenordnungen übertrifft, was zu einer ähnlich hohen Kooperativität führt. Darüber hinaus platziert der ultrahohe Q-Faktor unseres Resonators unser CQED-System in einem unerforschten Parameterraum eines „guten Resonator“-Regimes. Um diese Idee zu verwirklichen, kombinieren wir unser komplementäres Fachwissen in der Entwicklung von Kavitäten mit ultrahohem Q-Faktor (KPI) und in Tieftemperatur-Photolumineszenzexperimenten (GPI). Das Forschungsprogramm ist so konzipiert, dass das Fachwissen beider PIs maximal genutzt wird: Während sich das KPI auf die Optimierung und weitere Verbesserung der Leistung der Mikrotoroid-Bauelemente konzentriert, wird das GPI darauf abzielen, den Niedertemperatur-PL-Aufbau zu bauen und ihn zur Messung und Überprüfung der Kooperativität des resultierenden Systems einzusetzen. Wir gehen davon aus, dass unsere Forschung einen bedeutenden Einfluss auf das weite Feld der Quantenwissenschaft und -technologie haben wird. Die Realisierung von QED-Systemen mit hoher Kooperativität wird zahlreiche Anwendungen in der Quantenkommunikation und -informatik ermöglichen. Außerdem wird unser System das erste System im so genannten „Good Cavity“-Regime sein. Damit kann es neue Erkenntnisse und technologische Innovationen innerhalb und außerhalb dieses Forschungsgebiets auslösen, die unsere Gesellschaft in weiteren Zusammenhängen beeinflussen können. Wir betonen auch, dass diese gemeinsame Forschung nicht nur die Partnerschaft zwischen den PIs stärken wird, sondern auch neue Forschungsnetzwerke innerhalb und außerhalb der Gastinstitutionen schaffen wird, was sich langfristig auf die gemeinsame Forschungslandschaft zwischen den beiden Ländern auswirken wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Großgeräte: Closed-cycle 4K cryostat ; Narrow-linewidth tunable laser
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Kooperationspartner: Professor Hansuek Lee, Ph.D.