Eine quantenelektrodynamische Materiefeldtheorie für die Quantennanoplasmonik

• Antragsteller: Dr. Fouad Ballout
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253375095

Ein Hauptanliegen der Quantennanoplasmonik ist die Entwicklung eines nanophotonischen, chipintegrierten Quantenschaltkreises, der eine elektro-optische oder gar rein optische Kontrolle von Quanteninformation auf dem Einquantenlevel ermöglicht. Bereits jetzt existieren rudimentäre System, die für einfache quantenoptische Anwendungen ausgelegt sind. Diese bestehen aus einem quantenoptischen Zwiezustandssystem (Qubit) und einem metallischen Nanodraht oder Nanopartikel. Mit Hilfe des sog. Surface Plasmon Polaritons (SPP), welches das vom Qubit emittierte Photon mit den kollektiven Elektronenanregungen an der Metalloberfläche koppelt, erreichen diese Verbundsysteme bereits jetzt ein beispielloses Maß an Bandbreite und Kompaktheit. Auch wenn diese noch kein Quantenrechennetzwerk darstellen, so vermitteln sie einen guten Eindruck, welche Hürde es auf dem Weg dorthin zu überwinden gilt, nämlich die Speicherung und Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz und -korrelation über relative große räumliche und zeitliche Distanzen und zwar im Beisein interner und dissipativer Verluste. Eine vielversprechende Strategie besteht darin, die Kopplungstärke bis zu dem Punkt zu erhöhen, wo ein kohärente, reversibler Informationsfluß zwischen dem System und der Umgebung auftritt und eine langlebige Transmission von Quantensignalen möglich wird. Zur Ausarbeitung der Details einer solchen Strategie können wir nicht auf gegenwärtige quantenplasmonische Theorien zurückgreifen, da sie sich mit einer phenomenologischen Beschreibung der Materialantwort zufrieden geben und aufgrund der verwendeten Näherungen nur auf den schwachen Kopplungsfall anwendbar sind.Der Beitrag des vorliegenden Vorhabens liegt in der Erarbeitung einer Quantentheorie der Plasmodynamik, die die Vielteilchennatur des plasmonischen System miteinbezieht und ihre Kopplung an das Qubit exakt beschreibt, um den internen Verlusten und einer starken Kopplung Rechnung zu tragen. Bei der Ableitung einer solchen Theorie erhalte ich einen Quantenpropagator für das SPP-Feld, welcher die beteiligten Quantenfelder in Beziehung mit der Oberflächentopologie des metallischen Substrats, das das SPP unterstützt, setzt. Die Gegenwart der plasmonischen Umgebung verändert die photonische Zustandsdichte , die dem Qubit für die spontanen Emission zur Verfügung stehen. Diese Modifikation der Modendichte beeinflußt die Kopplungsstärke zwischen Qubit und plasmonischen Umgebung, und wird durch die geometrische Anordnung der Umgebung kontrolliert. Um die exakten geometrischen Einstellungen zu finden, unter denen eine starke Kopplung erzwungen wird, ziehe ich den SPP-Propagator in einer nicht-perturbative Mastergleichung der Qubit-SPP Kopplung mit ein. Abschließend erweitern ich diese Mastergleichung auf den Zwei-Qubit-Fall, um zu sehen welche nichtklassischen Qubit-Qubit-Korrelationen der Zwei-Qubit-Zustand aufweist und über welche raum-zeitliche Skala sie im Falle eine starken System-Bad-Kopplung aufrechterhalten werden kann.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Ortwin Hess