Eine Einzelphotonenquelle mit hoher Bandbreite bei Raumemperatur

• Antragsteller: Dr. Robert Löw
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428456730

Dieses Projekt befasst sich mit der experimentellen Umsetzung einer Einzelphotonenquelle basierend auf stark wechselwirkenden Rydbergatomen in einem thermischen Gas. Dass dies möglich ist wurde erst vor kurzem durch die Antragsteller in einem Demonstrationsexperiment bewiesen. In diesem Experiment konnten wir zeigen, dass in einem mikroskopischen Gasvolumen der Blockadeeffekt dominierend ist und maximal nur eine Rydberganregung erzeugt werden kann. Diese Anregung wird mittels Vierwellenmischens in ein Photon konvertiert. Das alles muss innerhalb der Kohärenzzeit von ca. 1ns geschehen. Das bedeutet, dass die Laser genügend Leistung aufweisen müssen um so schnelle Anregungen realisieren zu können. Einer dieser gepulsten Laser konnte nur mit einer Repetitionsrate von 50Hz betreiben werden was eine starke Limitierung darstellte. In diesem Projekt wollen wir nun eine zweite Generation dieser Einzelphotonenquelle realisieren, die durch ihre bessere Performance auch näher an praktische Anwendungen rückt. Die wesentliche Änderung liegt in dem Anregungsschema, das es uns erlaubt mit Faserverstärkern mit Repetitionsraten bis zu 100kHz zu arbeiten. Weiterhin wollen wir die Optik in die Dampfzellen integrieren und die Zellwände noch zusätzlich mit optischen Beschichtungen versehen. Um chemisch stabile Oberflächen zu erhalten, werden diese noch mit einer Saphirschutzschicht ausgestattet. Eine weitere technische Herausforderung wird die Kontrolle der Pulsformen auf der 50ps-skala darstellen. Dieser Zuwachs in zeitlicher Kontrolle wird auch in die numerische Simulationen einfließen um die optimale Pulssequenz ermitteln zu können. Schließlich wollen wir die Skalierbarkeit unseres Ansatzes demonstrieren indem wir zwei unabhängige Einzelphotonenquellen in einem Hang-Ou-Mandel Interferometer untersuchen. Eine Besonderheit in diesem Projekt ist die Zusammenarbeit mit Fr. Ofer Firstenberg (Weizmann Institut). Seine Gruppe hat große Erfahrung mit Rydbergatomen und der Spektroskopie von thermischen Gasen. Hier wollen wir vor allem bei der Entwicklung der optischen Schichten kooperieren. Die Summe dieser Maßnahmen und technischer Entwicklungen werden zu einer wesentlich höheren Photonenrate führen, die dann in der Quantenkommunikation (Quantenrepeater, Quantenspeicher), der linearen Quantencomputer und der Erzeugung nichtklassischer Lichtzustände (Fock-Zustände Noon-Zustände, …) ihre Anwendung finden können.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)
• Internationaler Bezug: Israel
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Hadiseh Alaeian
• Kooperationspartner: Dr. Ofer Firstenberg