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Nichtlineare Quantenoptik

Unser Joint Lab Nonlinear Quantum Optics erforscht und entwickelt konkrete Anwendungen von Quantenlicht für die photonische Quantensensorik und Quantenkommunikation. Dafür nutzen wir Methoden der Erzeugung und Umwandlung von Quantenlicht mithilfe der nichtlinearen Optik und fokussieren uns auf verschiedene, anwendungsrelevante Themen:

  • Sensorik im mittleren Infrarot (MIR) mit verschränkten Photonen
  • Photonenpaar-Quellen für die Quantenkommunikation
  • Konvertermodule für die Quantenkommunikation
Die Abbildung zeigt wissenschaftliche Darstellungen, einschließlich einer grafischen Präsentation mit bunten Ringen und einem Bildschirm. Weitere Abschnitte zeigen Mikroskopbilder mit verschiedenen Vergrößerungen und ein Diagramm, das die Absorption über Wellenzahlen darstellt.
Wir verwenden nicht detektierte Photonen u. a. zur Bildgebung für die hyperspektrale Mikroskopie (medizinische Diagnostik) und MIR-Spektroskopie in der Umweltanalytik (Gas- und Mikroplastikanalyse).
Das Bild zeigt eine mikroskopische Ansicht eines Halbleiterchips mit feinen Linien und Strukturen. Im eingebetteten Detail wird ein Prozess zur Herstellung oder Analyse dieser Strukturen veranschaulicht.
Unsere Quellen für die Quantenkommunikation basieren auf integrierter nichtlinearer Optik in Halbleitern. Wellenleiter aus Halbleitern wie AlGaAs, GaAs oder InGaP ermöglichen ultrahelle SPDC-Quellen mit mehr als 10 GHz Photonenpaaren pro Milliwatt Pumpleistung. Sie sind massenproduzierbar und gut integrierbar mit anderen photonischen und optoelektronischen Elementen wie Pumplasern und Frequenzfiltern.
Das Bild zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Systems, das einen cw 1064-nm Laser, eine monolithische ppKTP-Resonator und verschiedene Komponenten wie Isolator, Ofen und Temperaturregler beinhaltet. Die Hauptbestandteile sind zur Wellenlängenumwandlung und Überwachung des Systems angeordnet.
Die Quantenfrequenzkonversion wandelt einzelne Photonen aus NV-Zentren in Diamanten in Telekommunikationswellenlängen um und kombiniert dabei hohe Effizienz (>70 % intrinsisch) mit geringem Rauschen. Der Konverter verwendet einen sich thermisch selbst-stabilisierenden monolithischen ppKTP-Resonator, der von einem kostengünstigen handelsüblichen 3-W-1064-nm-Nd:YAG-Laser gepumpt wird.

Sensorik im mittleren Infrarot (MIR) mit verschränkten Photonen

Ziel ist es, durch das Quantenmessprinzip der „Sensorik mit undetektierten Photonen“ technologische Hürden für klassische MIR-Quellen und MIR-Detektoren vollständig zu umgehen. Für unseren Ansatz benötigen wir lediglich Laser and Detektoren im sichtbaren und nahinfraroten Bereich. Dies ermöglicht kompakte, robuste und kosteneffiziente Lösungen, die unter anderem in hyperspektralen Mikroskopen zur medizinischen Diagnostik, für die MIR-Spektroskopie in der Umweltanalytik (Gas- und Mikroplastik-Analyse) und mittels optischer Kohärenztomografie im MIR-Spektralbereich (MIR-OCT) zur 3D-Bildgebung, beispielweise innerhalb von stark streuenden Keramiken, eingesetzt werden. Demonstratoren, die dank der langjährigen Kompetenz im Mikromodulbau am FBH entwickelt werden, sollen dann die Praxistauglichkeit dieser quantentechnologischen Ansätze validieren.

Quellen für die Quantenkommunikation

Photonenpaar-Quellen mit hoher Effizienz spielen eine zentrale Rolle für die verschränkungsbasierte Quantenschlüsselverteilung (QKD). Die Anforderungen dafür umfassen eine möglichst hohe Paarrate und die Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes für Wellenlängen-Multiplexing bei zugleich geringer notwendiger Pumpleistung. Wir erforschen geeignete neue Ansätze mit Halbleiter-Wellenleitern, die unter anderem auf AlGaAs, GaAs oder InGaP basieren. Wichtig dabei sind die extrem hohen optischen Nichtlinaritäten dieser Materialien sowie die Möglichkeit der Co-Integration des Pumplasers auf demselben Chip. Das Ziel, skalierbar herstellbarer Hochleistungs-Paar-Quellen für einen großflächigen Einsatz der QKD verfolgen wir in enger Zusammenarbeit mit der Optoelektronik am Institut. 

Konverter für die Quantenkommunikation

Bei Quantenrepeater-Netzwerken besteht die Notwendigkeit, Photonen zwischen verschiedenen Wellenlängenbereichen so umzuwandeln, dass die Verschränkung erhalten bleibt. Hierbei gilt es insbesondere, die verlustarme Verteilung dieser Photonen in Glasfasernetzwerken zu ermöglichen. Mit diesem Ziel entwickeln wir speziell für verschränkte Photonen aus Diamant-Fehlstellen optimierte, hocheffiziente und rauscharme Konvertermodule, die auf monolithischen ppKTP-Resonatoren basieren.

Das Joint Lab Nonlinear Quantum Optics wird gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Nichtlineare Quantenoptik (NIQO) am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin betrieben.