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

Fachliche Zuordnung Theoretische Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2019 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419036043
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wir haben mit Hilfe numerisch vollständiger Pfadintegralmethoden Möglichkeiten zur Manipulation von Photonen durch Laseranregungen eines Quantenpunktes in einem Resonator studiert, wobei die gezielte Präparation nicht-klassischer Photonzustände ein Fokus war ebenso wie die Frage, welche Rolle Phononen hierbei spielen. Es wurden u.a. mit aktuellen Resourcen umsetzbare Protokolle entwickelt zur Präparation höherer Fock- oder Schrödinger-Katzen-Zustände, sowie zur Realisierung eines Photon-Speichers als auch ein Schema zur gezielten zeitabhängigen Umschaltung von Verschränkungstypen bzw. zwischen verschränkten und unverschränkten Zuständen. Die Art der Anregung bestimmt auch die Stärke von Kohärenzen zwischen verschiedenen Fockzuständen, was sich als relevant für Anwendungen in der Quantenkryptographie herausstellte. Unerwartet war, dass mit Phononen unter bestimmten Bedingungen höhere Verschränkungsgrade erziel­ bar sind als ohne. Positive Phonon-Einflüsse auf photonische Anwendungen fanden wir auch bei Einphotonquellen hoher Purity realisiert durch phonon-assistierte Präparation von Exzitonen, bei denen die emittierten Photonen spektral vom anregenden Laser getrennt sind. In anderen Fällen sind Phononen jedoch problematisch für mögliche Anwendungen. So zerstören Phononen z.B. die Photonzahlstatistik von N-Photon-Bündel-Zuständen. In permanent getriebenen Exziton­Biexziton Systemen induzieren Phononen phasenübergangsartiges Verhalten: Oberhalb einer kritischen Temperatur bzw. Feldstärke verschwindet die Verschränkung der emittierten Photonen vollständig. Wir konnten zudem einen begrenzenden Einfluss der endlichen Dauer der anregenden Pulse auf den Verschränkungsgrad aufzeigen. Phononen verstärken diese Begrenzung und bewirken eine Temperaturabhängigkeit. Da die von uns entwickelte Pfadintegralmethode keine Näherung am Modell vornimmt, wie etwa die Vernachlässigung von Gedächtniseffekten, konnten wir vorurteilsfrei den Fehler ermitteln, der durch Verwendung des Quanten-Regressions-Theorems (QRT) entsteht. Bei Verwendung des QRT werden die Ununterscheidbarkeiten der Photonen systematisch um bis zu 18% unterschätzt. Die Einführung eines neuen numerisch vollständigen Algorithmus, der als Automated Compression of Environments (ACE) bezeichnet wird, eröffnet neue Perspektiven zur Simulation quantendissipativer Sys­ teme. ACE zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus. ACE kann mehrere unterschiedliche Umgebungseinwirkungen simultan auf mikroskopischer Stufe behandeln. Bosonische, Fermionische oder Spin­Umgebungen können ohne Einschränkungen bezüglich der Gedächtnistiefe oder der Stärke der Korrelationen berücksichtigt werden. Gaußische und nicht-Gaußische Umgebungen können ebenso behandelt werden wie lineare und nicht-lineare als auch diagonale und nicht-diagonale System-Bad-Kopplungen.

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