Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen aus resonant gepumpten Halbleiter-Quantenpunkten durch Quanten-Frequenzkonversion in das Telekommunikations-C-Band
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Verlauf des Projekts konnte ein Frequenz‐Konversions‐Aufbau so realisiert und optimiert werden, dass eine vollständige Charakterisierung des Aufbaus mit Einzelphotonen möglich war. In einem ersten Schritt konnte gezeigt werden, dass zeitliche Ausdehnung des Photonwellenpakets, Einzelphotonenreinheit und Ununterscheidbarkeit der konvertierten Photonen mit der der Ausgangsphotonen jeweils übereinstimmt und durch den nichtlinearen Prozess nicht beeinflusst wird. Dabei wurde eine Gesamtkonversionseffizient von über 30% gemessen. Ausgangspunkt für diesen hohen Wert ist eine innere Konversionseffizienz von über 90%. Dementsprechen wurde bewiesen, dass der realisierte Quanten‐Freuqenz‐Konversion‐Aufbau eine valide Technologie darstellt, um Hybridsysteme aus stationären und fliegenden Qubits über lange Distanzen mittels optischen Fasern zu verbinden. Quanten‐Netzwerke können mittels stationären Qubits und ununterscheidbaren Photonen dann sinnvoll realisiert werden, wenn die Photonen mittels Telekommunikationsfasern transportiert werden können und die Photonen, welche dann von zwei unterschiedlichen Emittern stammen, eine möglichst hohe Ununterscheidbarkeit aufweisen. Als Fortsetzung der obengenannten Ergebnisse wurden die Einzelphotonen von zwei unterschiedlichen Quantenpunkten mithilfe von zwei Frequenzkonvertern in das Telekomunikations C‐Band transferriert. Gleichzeitig wurde der nichtlineare Prozess dazu verwendet, den ursprünglichen Energieunterschied der beiden Quantenpunktzusände im Telekomunikationsband auszulöschen. Dabei wurde, zum ersten Mal, Zwei‐Photoneninterferenz mittels nichtklassichen Emittern im Telekommunikations C‐Band realisiert. Die erreichte Ununterscheidbarkeit von 29 % konnte durch die entwickelte Theorie exakt nachvollzogen werden. Es zeigte sich, dass die spektrale Diffusion der Emitter entscheidend zur Verringerung der Ununterscheidbarkeit beiträgt: die Emissionslinienbreite beider Emitter ist 5 bzw. 7 mal größer als die entsprechende homogenene Verbreiterung. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Aufbau eine spektrale Stabilität aufweist, die weit unter der natürlichen Verbreiterung der Zustände liegt und somit eine äußerst stabile und präzise Technologie darstellt. Zusätzlich wurde der Einfluss von der Materialdispersion in den verwendeten optischen Fasern untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass 2 km an zusätzlicher Faserstrecke keinen messbaren Einfluss auf die Ununterscheidbarkeit hat. Nichtsdestotrotz wurde dieses Szenario mittels Simulation auf 10‐100 km ausgeweitet. Hier zeigte sich, dass die Bandbreite der Photonen entscheidenden Einfluss auf den Zwei‐Photonen‐Überlapp hat. Eine Veränderung der zeitlichen Ausdehnung des Photonwellenpakets von 1000 ps auf 100 ps verringert bei einer Faserstreckendifferenz von 10 – 100 km die maximal mögliche Ununterscheidbarkeit um 20 – 60 %. Dementsprechend muss schon bei der Wahl der Emitter, d.h. der zeitlichen Ausdehnung des Photonenwellenpakets auf die Faserdistanz geachtet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Limitations on the indistinguishability of photons from remote solid state sources”
B. Kambs and C. Becher
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“Two‐photon interference in the telecom C‐band after frequency conversion of photons from remote quantum emitters”, 2018
J. H. Weber, B. Kambs, J. Kettler, S. Kern, J. Maisch, H. Vural, M. Jetter, S. L. Portalupi, C. Becher, and P. Michler
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“Low‐noise quantum frequency down‐conversion of indistinguishable photons”, Opt. Express 24, 22250 (2016)
B. Kambs, J. Kettler, M. Bock, J. N. Becker, C. Arend, A. Lenhard, S. L. Portalupi, M. Jetter, P. Michler, and C. Becher
