Joint Lab Photonic Quantum Technologies

Eine der großen Visionen der Quanteninformationsverarbeitung und -kommunikation ist das "Quanteninternet". Ein solches Internet der nächsten Generation wird unter anderem quantensichere Kommunikation, Quanten-Cloud-Computing und Präzisionsmessungen ermöglichen, die von einer geteilten Quantenverschränkung auf große Distanzen profitieren. Das Joint Lab Photonic Quantum Technologies arbeitet an dieser Vision, indem es robuste, auf optischen Chips basierende Quantenbauelemente entwickelt, die direkt an Glasfasern gekoppelt werden können.

Unsere Forschung verbindet zwei aktuelle Durchbrüche hinsichtlich des Stands der Technik in der Quantenoptik: (i) ultrastarke quantenoptische Nichtlinearitäten und (ii) nanostrukturierte optische Wellenleiterchips, welche Licht äußerst kontrolliert konzentrieren und führen können.

 

 

Die von uns entwickelten, auf Chipebene integrierten optischen Komponenten (Wellenleiter, Strahlteiler, optische Zirkulatoren und Resonatoren) basieren auf dielektrischen Materialien wie Siliziumoxid auf Silizium und Galliumphosphid. Die Chips werden mit lithografischen Verfahren hergestellt in Kombination mit direkten Schreibtechniken, die fokussiertes Laserlicht sowie Elektronen- und Ionenstrahlen verwenden. Die mit diesen Techniken hergestellten On-Chip-Komponenten bilden dann die technologische Plattform für verlustarme, quantennichtlineare optische Bauelemente.

Zu diesem Zweck sollen schlussendlich ultrastarke optische Nichtlinearitäten in einem Quantenchip co-integriert werden. Die konzeptionell einfachste Art einer Zwei-Photonen-Quanten-Nichtlinearität entsteht, wenn eine starke Kopplung zwischen einem Zwei-Niveau-System und einer optischen Mode besteht und zwei Photonen aus dieser Mode gleichzeitig mit dem Zwei-Niveau-System wechselwirken. Um starke Kopplung zu erreichen, verwenden wir optische On-Chip-Mikroresonatoren mit hoher Güte und kleinem Modenvolumen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Grundlagen für eine skalierbare, quantenfähige optische Device-Technologie zu schaffen. So sollen etwa zerstörungsfreie Photonenzahl-auflösende Detektoren, konfigurierbare Photonenzahl-spezifische Filter und Sortierer oder fehlerfreie Bell-Zustands-Analysatoren für verschränkte Photonenzustände realisiert werden.

Das Joint Lab Photonic Quantum Technologies ist Teil des Forschungsbereichs Integrierte Quantentechnologie am FBH und wird gemeinsam vom FBH und der Arbeitsgruppe Grundlagen der Optik und Photonik unter Leitung von Prof. Arno Rauschenbeutel an der Humboldt-Universität zu Berlin betrieben.