Präparation nicht-klassischer Photonzustände in lasergetriebenen Quantenpunkt-Resonator-Systemen unter dem Einfluss akustischer Phononen

• Antragsteller: Professor Dr. Vollrath Martin Axt
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419036043

Dieses Projekt untersucht theoretisch Möglichkeiten, nicht-klassische Photonzustände, wie z.B. Schrödinger-Katzen-Zustände, Fock-Zustände oder polarisations-verschränkte Zwei-Paar-Zustände, in Quantenpunkt-Resonator-Systemen zu präparieren. Mit Hilfe solcher Zustände können Grundlagen der Quantenmechanik getestet werden; sie sind aber auch zentrale Bausteine möglicher Anwendungen der Photonik, Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkryptographie. Es soll geklärt werden, in welchem Maße sich der Photonzustand in einem Quantenpunkt-Resonator-System durch verschiedene Laseranregungen manipulieren lässt. Es interessieren besonders die neuen physikalischen Effekte, die zustande kommen durch die Kopplung an Gitterschwingungen (Phononen), die in Halbleiter-Quantenpunkten nicht abschaltbar ist. Phononen können ein Hindernis bei der Präparation darstellen. In manchen Fällen werden aber Präparations-Protokolle erst durch phonon-assistierte Prozesse ermöglicht. Ferner soll untersucht werden, inwieweit sich die Erzeugung von Photonpaaren, die im Resonator beim Zerfall von Biexzitonen (d.h. Zuständen mit zwei Elektron-Loch-Paaren) entstehen, durch die Einwirkung externer Laserfelder beeinflussen lässt und welche Rolle hierbei den Phononen zukommt. Auch die bislang unerforschte Möglichkeit, zwischen verschiedenen Verschränkungsarten umzuschalten, soll erkundet werden. Zweizeitige Korrelationsfunktionen sollen berechnet werden ohne Rückgriff auf das Quanten-Regressions-Theorem, das bei Vorliegen einer nicht-Markovschen Kopplung (hier realisiert durch die Phononen) seine Gültigkeit verliert. Zweizeitige Korrelationsfunktionen sind direkt mit Messgrößen verknüpft und enthalten wichtige Informationen über die nicht-klassischen Eigenschaften der Photonen. Neue physikalische Einsichten insbesondere in die Bedeutung von nicht-Markovschen Effekten werden erwartet durch die Simulation wichtiger photonischer Kenngrößen wie der Ununterscheidbarkeit, der Kohärenz und des Verschränkungsgrades als auch bei der Erfassung der Statistik von N-Photon-Bündeln. Alle Rechnungen dieses Projekts sollen mit Hilfe numerisch vollständiger Pfadintegral-Methoden ohne Näherung an die hier üblicherweise verwendeten Modelle durchgeführt werden. Für die hier behandelten quantendissipativen Multi-Level-Systeme ist eine solche vollständige Behandlung erstmals durch vor kurzem in der Gruppe des Antragstellers erzielte methodische Fortschrittemöglich geworden. Aus ersten Studien geht hervor, dass selbst fortgeschrittene etablierte Näherungsverfahren in praxisrelevanten Parameterbereichen große Abweichungen von den numerisch vollständigen Ergebnissen zeigen können. Die Fehler sind besonders groß bei den für dieses Projekt relevanten photonischen Eigenschaften, weshalb die numerisch vollständige Behandlung entscheidend für die Erzielung aussagekräftiger Ergebnisse ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen