Einzelphotonen-Quelle, getrieben durch komposite Pulse, für Anwendungen in einem dotierten Festkörper-Quantenspeicher

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Halfmann
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410249930

Quantenspeicher sind eine Schlüsselkomponente der Quanteninformationstechnologie. Photonen eignen sich als Träger von Quanteninformation, da sie nicht miteinander wechselwirken. Daher werden optische Speicher für einzelne Photonen benötigt. Speicherdauer und Effizienz sind die wesentlichen Anforderungen hierbei. In den vergangenen Jahren führte der Antragsteller umfangreiche Untersuchungen zur Lichtspeicherung mittels elektromagnetisch-induzierter Transparenz (EIT) in Pr:YSO-Kristallen durch. Es konnten Speicherdauern von bis zu einer Minute und Effizienzen bis zu 76 % demonstriert werden. Die Experimente wurden noch mit klassischen Lichtpulsen durchgeführt. Die Implementierung eines EIT-Quantenspeichers erfordert jetzt eine Quelle für schmalbandige Einzelphotonen.Der Antrag beschäftigt sich mit dem Aufbau einer schmalbandigen Einzelphotonen-Quelle, basierend auf dem Quantenspeicher-Protokoll nach Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ). Die Implementierung soll in einem Ensemble von kalten Rubidium-Atomen in einer speziellen magneto-optischen Falle erfolgen, die die Erzeugung sehr hoher optischen Dichten erlaubt.Als neue, leistungsfähige Varianten des DLCZ-Ansatzes werden Kombinationen mit kompositen Pulsen und stimulierter Raman-adiabatischer Passage (STIRAP) vorgeschlagen. Hierdurch werden kollektive atomare Kohärenzen getrieben, die der robusten und präzise definierten Anregung durch ein einzelnes Photon entsprechen. Wesentliche Vorteile sind : (i) Höherer Wirkungsgrad und quasi-deterministischer Betrieb der Quelle aufgrund adiabatisch stimulierter anstatt spontaner Emission. (ii) Höhere Lichtausbeute durch Konzentration des Volumens der Emission auf die Vorwärts-Richtung. (iii) Größere Robustheit bzgl. Fluktuationen von experimentellen Parametern. Als eine fundamental neue Alternative zu DLCZ wird die Implementierung eines EIT-basierten Quantenfilters vorgeschlagen, der nur Einzelphotonen-Zustände transmittiert. Die neuen Ansätze sind von signifikantem Interesse auch für Quantentechnologien jenseits der Lichtspeicherung. Als eine wichtige technologische Entwicklung sollen die Verfahren auch in kalten Rubidium-Atomen, die in eine Hohlkern-Faser geladen wurden, implementiert werden. Der Antragsteller konnte kürzlich in solchen Aufbauten sehr große optische Dichten OD > 1000 erzeugen, d.h. Größenordnungen über den optischen Dichten, die bisher in DLCZ-Experimenten verfügbar waren. Der neue technische Ansatz wird ein sehr viel höheres Signal-Rausch-Verhältnis und höhere Lichtausbeute ermöglichen. Schließlich sollen die Einzelphotonen aus den Rubidium-Atomen bei 795 nm durch Summenfrequenzmischung mit intensiver, mittel-infraroter Strahlung bei 2.55 µm in einem periodisch-gepolten Lithiumniobat-Wellenleiter zu Licht bei 606 nm konvertiert werden, wie es für einen Pr:YSO-Speicher benötigt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen