Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen aus resonant gepumpten Halbleiter-Quantenpunkten durch Quanten-Frequenzkonversion in das Telekommunikations-C-Band

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Becher; Professor Dr. Peter Michler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257649910

Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen im Telekommunikations-C-Band (1550 nm) und die Demonstration eines photonischen Quantengatters mit diesen Einzelphotonen. Die Erzeugung der Telekom-Photonen geschieht dabei in einem Hybrid-Ansatz: Ausgangspunkt sind selbstorganisiert gewachsene InGaAs Quantenpunkte, die in planare Wellenleiterstrukturen eingebettet sind, und die nach optischer Anregung Einzelphotonen im Nahinfraroten (900 nm) emittieren. Die Anregung der Quantenpunkte soll dabei über resonante und kohärente Zwei-Photonenanregung des Biexzitons mit pi-Pulsen erfolgen, was eine hohe Ununterscheidbarkeit sukzessiv aus dem Quantenpunkt emittierter Photonen zu Folge hat. In einem nächsten Schritt werden die Einzelphotonen bei 900 nm durch optisch nichtlineare Differenzfrequenzerzeugung (DFG) nach 1550 nm konvertiert. Wie von den Antragstellern in einer gemeinsamen Arbeit bereits nachgewiesen wurde, bleiben die nichtklassischen Eigenschaften des ursprünglichen Lichtfelds bleiben dabei erhalten, so dass man von Quantenfrequenzkonversion sprechen kann. Ein wichtiges neues Untersuchungsziel ist nun der Test inwieweit die Ununterscheidbarkeit sukzessiv emittierter Photonen eines einzelnen Quantenpunkts durch den Prozess der Frequenzkonversion erhalten bleibt. Diese Experimente erfordern zum einen das reproduzierbare Wachstum von InGaAs Quantenpunkten hoher Qualität und die Einbettung in planare Wellenleiterstrukturen (Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Universität Stuttgart) und zum anderen die Entwicklung transportabler Frequenzkonversionsaufbauten mit hoher Effizienz und hoher Rauschunterdrückung (AG Quantenoptik, Universität des Saarlandes). Hauptziel des Projekts ist die Quantenfrequenzkonversion von Einzelphotonen aus zwei räumlich getrennten, resonant angeregten InGaAs-Quantenpunkten auf eine gemeinsame Wellenlänge im Telekom-C-Band mit Demonstration der Zwei-Photonen-Interferenz der Telekom-Photonen. In diesem Fall werden Unterschiede der Emissionswellenlängen, die sich bei Quantenpunkten 'natürlich' aus Variationen der geometrischen Dimensionen ergeben, durch die Frequenzkonversion zu einer gemeinsamen Zielwellenlänge ausgeglichen. Im letzten Schritt soll die Anwendbarkeit der erzeugten ununterscheidbaren Photonen durch Implementierung eines Quantengatters (CNOT-Gatter) mit faseroptischen Komponenten demonstriert werden. Diese Untersuchungen werden durch die beiden antragstellenden Gruppen gemeinsam durchgeführt. Die hier geplanten Experimente zur deterministischen Erzeugung ununterscheidbarer Photonen im Telekomband sind im Hinblick auf die Skalierbarkeit künftiger Quanteninformationsplattformen von besonderem Interesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: 2x Laser, Wellenlänge: 2,2 µm
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser