Orbitale Drehimpuls-Moden hoher Ordnung in hellen, gequetschten Vakuumzuständen des Lichts

• Antragstellerin: Professorin Dr. Polina Sharapova
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413296026

Helical-phased Lichtstrahlen ziehen mehr und mehr Interesse an, weil der Bahndrehimpuls, den sie tragen, Der (fast) unbegrenzte Wert führt zu einem uneingeschränkten Bereich von Basiszuständen, sogenannten orbitalen Drehimpulsmodi, die eine größere Alphabet-Quantenschlüsselverteilung ermöglichen und eine hochdimensionale Quanteninformation liefern, die gegen Lauschangriffe resistent ist. Orbitale Drehimpulsmodi sind vielversprechend für die Übermittlung von Informationen über große Entfernungen, die Entwicklung neuartiger Abbildungssysteme und die Ermächtigung der Quantenkryptographie. Darüber hinaus können Orbital-Drehimpulsmodi in hochauflösenden und hochempfindlichen Messungen und zur optischen Manipulation von Partikeln durch Licht-Materie-Wechselwirkung eingesetzt werden. Um die Quantenkapazität der Orbital-Drehimpuls-Modi noch weiter zu verbessern, könnte man Quantenlicht mit riesigen Photonenzahlen pro Modus verwenden. Ein vielversprechender Kandidat dafür ist das helle, zusammengedrückte Vakuum. Helles, gequetschtes Vakuum ist ein makroskopischer, nicht klassischer Lichtzustand, der durch Hochgeschwindigkeits-Parametric-Down-Conversion oder Four-Wave-Mixing erhalten werden kann und eine sehr breite Photonenzahlverteilung mit sehr hohen Photonenzahlen aufweist. Im Gegensatz zu verdrängten Quetschlichtzuständen besteht das helle, zusammengedrückte Vakuum nur aus Quantenrauschen und hat starke Photonenzahl-Korrelationen, was zu einer Verringerung des Rauschens unterhalb des Schallpegelpegels sowie zum Quadratur-Quetschen führt. Solche Merkmale des hellen, gequetschten Vakuums machen es sehr attraktiv für verschiedene Anwendungen wie Quantenbildgebung und empfindliche Metrologie, Quantenoptomechanik, Gravitationswellenerfassung und nichtlineare Optik mit Quantenlicht.Die vorgeschlagene Arbeit konzentriert sich auf die theoretische Beschreibung der physikalischen Eigenschaften von bisher unerforschten Orbit-Drehimpulsmodi mit höherer Ordnung im hellen, zusammengedrückten Vakuum, deren Vorbereitung und Sortierung. Alle Schemata für die Vorbereitung und Sortierung solcher Moden basieren auf der Zwei- und Dreikristall-Konfiguration unter Verwendung zusätzlicher optischer Elemente und nicht-Gaußscher Pumpstrahlen. Die Beschreibung der ausgewählten orbitalen Drehimpulsmodi erfolgt aus der Sicht der Schmidt-Modi. Die Verfahren zur Herstellung eines einzelnen Orbital-Drehimpulsmodus mit Hochquadratur-Quetsch- und Photon-Nummer-korrelierten Paaren von Orbital-Drehimpulsmodi mit Rauschunterdrückung unterhalb des Schallrauschpegels werden vorgeschlagen. Gleichzeitig planen wir, Schemata der Anwendung von Orbit-Drehimpulsmodi mit höherer Ordnung für die Drehung von mechanischen Objekten vorzuschlagen und zu berechnen und starke Korrelationen vom Lichtsubsystem zum mechanischen durchzuführen, um nicht-symmetrische Absorptionsspektren von Atomen, Molekülen, Quantenpunkte, zum Testen der Chiralität verschiedener Objekte und für sehr empfindliche Phasenmess

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen