Helle Quantenlichtquellen für eine effiziente Verschränkungsverteilung

• Antragsteller: Professor Dr. Jonathan J. Finley; Professor Dr. Netanel Lindner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431487620

Die Menschheit erlebt derzeit eine große technologische Revolution, bei der die sonderbaren Konzepte der Quantenphysik, wie Zustandsüberlagerung und Verschränkung, gezielt genutzt werden um neue Technologien zu ermöglichen. Unter alle untersuchten "quantengestützten" Technologien ist die photonenbasierte Quantenkommunikation von zentraler gesellschaftlicher Bedeutung, da sie eine absolut sichere Datenübertragung zwischen den kommunizierenden Parteien ermöglicht. Gleichzeitig haben jüngste Fortschritte in der Grundlagenforschung praktische Anwendungen in greifbare Nähe gerückt. Dies wird ermöglicht durch Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger photonischer Halbleiter-Nanomaterialien, neue Erkenntnisse über Quanten(Spin)-Freiheitsgrade in Festkörpersystemen sowie der Möglichkeit, Techniken von der Quantenoptik-Toolbox auf Festkörpersysteme anzuwenden. Obwohl bereits eine Reihe beeindruckender konzeptioneller Experimente durchgeführt wurden, bleiben Entfernungsskalierbarkeit und Photonenverlust zwei der Hauptprobleme, die die Entwicklung von photonenbetriebenen Quantencomputern oder Netzwerken verhindern. Vorschläge zur Verminderung des Einflusses von Photonenverlusten wurden mit Hilfe von Quantenrepeatern (QR) gemacht. Die Implementierung der meisten QR-Protokolle erfordert jedoch die Verfügbarkeit von effizienten Quantenspeichern mit außergewöhnlicher Schreib- und Leseeffizienz sowie sehr langen Speicherzeiten von mehr als einigen Millisekunden. Ein physikalisches System zu finden, das gleichzeitig hohe Photonenerzeugungs- und -interaktionsraten ermöglicht, lange Speicherzeiten bietet und zudem skalierbar ist, bleibt eine große wissenschaftliche Herausforderung, die weitere Fortschritte behindert hat.In jüngster Zeit wurden neuartige Multi-Photonen-Quantenzustände - so genannte Cluster- oder Graphenzustände - als eine völlig neue Ressource für verteilte Quantentechnologien vorgeschlagen. Diese Zustände bestehen aus einem Lichtimpuls, der viele Photonen enthält, die in einem hochverschränkten Zustand hergestellt werden, bei dem der Quantenzustand jedes Photons eng mit den anderen verbunden ist. Im Gegensatz zu einzelnen, getrennten Photonen haben Clusterzustände eine eingebaute hohe Redundanz. Da Photonen unvermeidlich verloren gehen, kann die Quantenverschränkung immer noch zwischen den kommunizierenden Parteien geteilt werden, indem Clusterzustände aufgeteilt und Teile an jede der kommunizierenden Parteien gesendet werden. Auf diese Weise kann die Verschränkung, sofern ein Teil der Photonen bei den kommunizierenden Parteien ankommt, noch verteilt werden. Dieser neuartige Ansatz umgeht vollständig die Voraussetzung das hocheffiziente Quantenspeicher verfügbar sind, einem der bisher größten Hindernisse bei dir Entwicklung zuverlässiger Technologien für die Verteilung von Verschränkung mit hohen Raten. Dieses DIP-Projekt bringt fünf Wissenschaftler von drei führenden Institutionen in Israel und Deutschland (...)

• DFG-Verfahren: Deutsch-Israelische-Projektkooperationen
• Teilprojekt zu: 23. Runde der Deutsch-Israelischen Projektkooperation (2020-2024)
• Internationaler Bezug: Israel
• Großgeräte: Arbitrary waveform generator ; Single Quantum Superconduction Single Photon Detection Module
• Gerätegruppe: 5860 Laser-Leistungsmeßgeräte