Quantenphotonik

 

Die Weiterentwicklung und Nutzbarmachung der Quantentechnologien ist Gegenstand aktueller Forschung. Viele Akteure auf politischer Ebene (z.B. im Rahmen des EU Quantum Technologies Flagship¹), wirtschaftlicher Seite (z.B. Google² und IBM³) sowie in der grundlegenden und interdisziplinären Forschung⁴ versprechen sich revolutionär neue Möglichkeiten in den Bereichen wissenschaftlicher Simulation, abhörsicherer Kommunikation und empfindlicher Sensorik. Die Lösung von Herausforderungen, die als bisher praktisch oder theoretisch nicht berechenbar angesehen wurden, soll erschlossen werden.

Hochpräzise Lasersysteme finden bereits vielfach Anwendung in experimentellen Umsetzungen von Qubits, z.B. zum Einfangen, Kühlen und Auslesen von Quantenzustände im Falle von sogenannten Ionenfallenqubits oder beim Auslesen von Quantenpunktqubits. Auch weiterhin werden maßgeschneiderte, hochpräzise Lasersysteme entscheidend für die Forschung in der Quantentechnologie sein. Damit ist der Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) durch seine Expertise im Umgang mit und bei der Entwicklung von solchen Lasersystemen bestens positioniert, um sich gegenwärtigen und zukünftigen Herausforderungen in der Quantentechnologie zu stellen.

Der Lehrstuhl für Lasertechnik forscht zusammen mit seinen Kooperationspartnern von RWTH und Fraunhofer daran, Aufgabenstellungen der Quantentechnik mit nichtlinearen optischen Prozessen zu lösen, um Quantencomputer zu vernetzen, Quellen verschränkter Photonenpaare weiterzuentwickeln und auf quantenmechanischen Effekten basierende Bildgebung zu verbessern.

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1. https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/policies/quantum-technologies-flagship
2. https://research.google/teams/applied-science/quantum/
3. https://quantum-computing.ibm.com/
4. https://ml4q.de/

 

Quellen verschränkter Photonen

Quellen verschränkter Photonen sind wesentliche Komponenten für zukünftige Anwendungen der Quantentechnologien, z.B. als Photonenquelle in der Quantenbildgebung, im Bereich der Quantenkommunikation und zur Charakterisierung von Quantenfrequenzkonvertern.

Grundlage für Quellen verschränkter Photonen ist der Prozess der parametrischen Fluoreszenz (SPDC), bei der in einem nichtlinear optischen Kristall ein Photon unter Erhaltung seiner Energie spontan in ein Paar neuer Photonen zerfällt. Damit sind wesentliche Eigenschaften innerhalb des Photonenpaares wie die Energie und der transversale Impuls streng korreliert – eine vollständige Beschreibung zeigt auf, dass diese entstehenden Photonen miteinander verschränkt sind.

Die Weiterentwicklung von Photonenpaarquellen am LLT betrachtet einerseits die Erzeugung von Photonenpaaren mit stark unterschiedlichen Wellenlängen für Quantenbildgebung und andererseits die Erforschung von Chipintegrierbaren Materialen für Quantenkommunikationsanwendungen.

Forschungsschwerpunkte

• Aufbau und Charakterisierung von wellenleiterbasierten Photonenpaarquellen
• Auslegung und Realisierung von Photonenpaarquellen mit stark verschiedenen Wellenlängen

Veröffentlichungen

1. F. Herbst, F. Elsen, B. Jungbluth, D. Hoffmann, and R. Poprawe, “Characterisation of wavelength-shifted photon pairs for quantum imaging applications”, (DPG Herbsttagung 2019).

 

Quantenbildgebung und Quantensensorik

Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University.

Die Untersuchung von Objekten mit Licht im Spektralbereich des mittleren Infrarots (MIR) ist in vielerlei Hinsicht interessant. Insbesondere lässt das Absorptionsverhalten organischer Proben im MIR, insbesondere im Spektralbereich der sogenannten fingerprint region, direkte Rückschlüsse auf die atomare Zusammensetzung und die molekulare Struktur zu^5,6. Die Detektoren im MIR zeichnen sich allerdings im Vergleich zu Kameras auf Siliziumbasis durch niedrige Empfindlichkeit bzw. geringere Auflösungen aus und können damit limitierend für die Bildgebung sein. Daher werden verschiedene Methoden zur Bildgebung verfolgt.^7,8,9

Einige vielversprechende Ansätze, um diese technischen Einschränkung zu umgehen, setzen auf die Erzeugung von Paaren verschränkter Photonen durch parametrische Fluoreszenz (SPDC), von denen jeweils ein Photon die gewünschte Wellenlänge im MIR-Bereich für die Wechselwirkung mit dem Objekt und das andere eine einfach zu detektierende Wellenlänge hat. Zu diesen Ansätzen gehört auch das Konzept des Quantum Imaging with Undetected Photons, das auch am Lehrstuhl für Lasertechnik in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ILT erforscht wird.

Bei diesem Bildgebungs-Verfahren werden zwei solcher Photonenpaarquellen in einem Interferometer so kombiniert, dass die Photonen verschiedener Wellenlängen verschiedene Strahlwege durchlaufen. Auf diese Weise ist es möglich, (Bild-)Informationen über ein Objekt mit Photonen des einen Spektralbereiches zu gewinnen, die (Bild-)Information selbst aber alleinig mit dem anderen (erzeugten) Spektralbereich über ein Interferenzsignal auszulesen. Dabei sind zusätzlich zu der bloßen Information über den Transmissionsgrad des Objekts auch Informationen über die aufgesammelte Phase zugänglich. Im Falle lichtempfindlicher Objekte spielt hier die Quantentechnologie einen zusätzlichen Vorteil aus, da über dieses Konzept auch mit wenigen Photonen Bildgebung erzielt werden kann.

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5. https://www.nature.com/collections/xjbphffvtv
6. http://blogs.nature.com/onyourwavelength/2018/05/17/mid-infrared-the-molecular-fingerprint-region/
7. https://arxiv.org/abs/2002.05960
8. https://doi.org/10.1364/MICS.2018.MM4C.1
9. https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000702
10. https://doi.org/10.1038/nature13586

 

Quantenfrequenzkonversion

Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Ein Wellenleiter in einem nichtlinearen Kristall mit Ein- und Auskopplung ist eine typische und zentrale Komponente in einem Quantenfrequenzkonverter.

Eine Möglichkeit verschiedene Qubits aneinander zu koppeln ist durch die Emission eines Photons, das Informationen über den Quantenzustand enthält, und dieses in einem anderen Qubit zu absorbieren. Diese Art der Kopplung ist vorteilhaft, um makroskopische Entfernungen zu überbrücken, da Photonen eine sehr große Dekohärenzzeit haben und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Wellenlänge der emittierten Photonen ist dabei charakteristisch für die verwendete Realisierungsform des Qubits. Sollen verschiedenartige Qubits miteinander verbunden werden, so können durch Quantenfrequenzkonversion des photonischen Qubits die Wellenlängen aneinander angepasst werden. Ein weiterer Aspekt ist die Anbindung von Quantencomputern an verschiedenen Standorten über optische Fasern (ähnlich wie die moderne Anbindung an das Internet). In diesem Fall muss die Wellenlänge des Photons in eine Wellenlänge konvertiert werden, bei der optische Fasern minimale Verluste haben.

Bei der Quantenfrequenzkonversion wird nichtlineare optische Dreiwellenmischung verwendet, um die Wellenlänge eines Photons zu ändern, ohne dessen Verschränkungszustand aufzulösen. Dies ist Gegenstand aktueller Forschung am LLT.

  Urheberrecht: © © Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen University. Mithilfe von Simulationssoftware wird die Quantenfrequenzkonversion im Wellenleiter numerisch berechnet.

Forschungsschwerpunkte

• Verwendung und Charakterisierung von periodisch gepolten Wellenleitern, um hohe Konversionseffizienzen bei niedrigen Leistungen zu erreichen
• Simulation der Quantenfrequenzkonversion mit der Simulationssoftware OPT des Fraunhofer ILT
• Charakterisierung von Prozessen, die Rauschen im konvertierten Signal hervorrufen, und Auslegung daran angepasster spektraler Filterungen
• Charakterisierung von quantenphotonischen Eigenschaften des eingehenden und konvertierten Lichts