Quanten-Photonik auf einem Silizium Chip

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Schuck
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235092002

Das Ziel dieses Projektes ist es ein skalierbares System für Quanteninformationsverarbeitung auf einem Silizium-Chip zu entwickeln. Die Verwendung von Quantensystemen für die Informationsverarbeitung erlaubt es weit über die Möglichkeiten heutiger klassische Rechenmethoden hinauszugehen. Derzeitige Quantentechnologie lässt sich jedoch nicht einfach auf umfangreichere und komplexere Systeme skalieren. Hier zeigen wir wie die Herausforderung an System-Skalierbarkeit gemeistert werden kann durch den Einsatz integrierter Nano-Optik zur Verarbeitung von Quanteninformation die in Einzelphotonen kodiert wird. Wir werden alle wichtigen Bausteine eines nanophotonischen Quantencomputers realisieren: nicht-klassische Lichtquellen (Recheneingabe), integrierte optische Netzwerke (Algorithmus) und supraleitende Einzelphoton-Detektoren (Rechenausgabe). Durch den Einsatz von Nanofabrikationsmethoden werden wir all diese Komponenten auf demselben Silizium-Chip implementieren. Wir werden CMOS-kompatible Materialien mit starken optischen Nichtlinearitäten verwenden, um Einzelphotonen direkt auf dem Chip durch den Prozess der parametrischen Fluoreszenz zu erzeugen. Solche Photonenquellen dienen dann als Eingabe für voll-integrierte Netzwerke aus photonischen Wellenleitern, welche zu Logik-Gattern und letztlich Quantenalgorithmen konfiguriert werden können. Für das Erfassen einzelner Photonen an der Rechenausgabe entwickeln wir einen neuartigen, hocheffizienten supraleitenden Nanodraht-Detektor mit hoher Zeitauflösung, der direkt in das photonische Netzwerk eingebettet ist. Die monolithische Architektur und die kleinen Abmessungen solcher nanophotonischen Bauelemente auf einer Silizium Plattform erlauben es uns die Stabilitäts- und Skalierbarkeits-Einschränkungen von aktuellen Experimenten der Quantenoptik mit diskreten optischen Elementen zu überwinden. Dieses Projekt ist von besonders fächerübergreifender Natur und schließt die Gebiete der Elektrotechnik, Materialwissenschaften und mehrere Disziplinen der Physik mit ein: Quantenphysik, Halbleiterphysik, Supraleitung und nichtlineare Optik.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Hong Tang, Ph.D.