Faserbasierte Lichtquelle für verschränkte Photonen mit riesigem regelbarem Frequenzabstand

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Maria Chekhova, Ph.D.; Professor Dr. Nicolas Y. Joly
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433761978

Nichtklassische Zustände des Lichts spielen eine unverzichtbare Rolle in vielen Quantentechnologien. Meist werden verschränkte Photonenpaare benötigt, die zum Beispiel für die Erzeugung einzelner Photonen dienen, wobei eines der Photonen als Präsenznachweis des anderen Photons dient („Herold“). Weitere Einsatzgebiete verschränkter Photonenpaare umfassen Quanten-Kommunikation und -Computing, Quanten-Bildgebung, Sensorik und Spektroskopie. Die große Bandbreite an Anwendungen für Photonenpaare führen zu hohen Anforderungen an deren Erzeugung. Oftmals ist eine Durchstimmbarkeit der Frequenz- und Modenstruktur von Nöten. In der Quanten-Bildgebung wird beispielsweise eine Multimode-Photonenpaarquelle benötigt, während die Erzeugung von Einzelphotonen mit Herold eine Einzelmoden-Quelle voraussetzt. In letzter Zeit fand die Bildgebung und Spektroskopie „mit un-detektierten Photonen“ großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Diese beruht auf dem Effekt der „induzierten Kohärenz“ bei verschränkten Photonen. Mit der „induzierte Kohärenz“ ist es möglich Bildgebung oder Spektroskopie eines beliebigen Materials bei der Frequenz eines Photons durchzuführen, wobei man lediglich das andere verschränkte Photon detektiert. Das zweite Photon kann hierbei eine gänzlich andere Frequenz vorweisen. Diese Methoden erlauben es Spektroskopie und Bildgebung in „schwierigen“ Spektralbereichen – wie etwa dem mittleren Infrarot (IR) oder Terahertz-Bereich – durch zu führen. Bildgebung, Sensorik und Spektroskopie mit un-detektierten Photonen erfordern Quellen mit großem spektralem Abstand zwischen den beiden verschränkten Photonen. In diesem Forschungsvorhaben streben wir die Erzeugung verschränkter Photonenpaare mit Signal- und Idler-Frequenzen mit einem Spektralem Abstand von mehr als drei Oktaven an, wobei eines der erzeugten Photonen im UV- und das andere im IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. Zu diesem Zweck soll die Nichtlinearität dritter Ordnung in einer gasgefüllten optischen Hohlkernfaser genutzt werden. Diese Fasern haben einigen Vorteile gegenüber Quellen die Nichtlinearitäten zweiter Ordnung nutzen: Erstens muss die Wellenlänge des treibenden Lasers nicht kürzer als die der Tochterphotonen sein; wir erwarten die Erzeugung schmaler Seitenbänder mit extrem hoher spektralem Abstand auf der kurz- und langwelligen Seite des treibenden Lasers. Außerdem können die Dispersionseigenschaften des Systems durch den Druck des eingefüllten Gases fein eingestellt werden, wodurch das System extrem vielseitig wird. Dies erlaubt nicht nur die Durchstimmbarkeit der Wellenlänge der erzeugten Seitenbänder, sondern erlaubt auch eine umfassende Steuerung der spektralen Modenstruktur des erzeugten verschränkten Zustands. Als Test unseres Systems werden wir Experimente zur induzierten Kohärenz, sowie zur Koinzidenz-Bildgebung (engl. Ghost imaging) in der Zeitdomäne durchführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: pico-second mode-locked Ti-Sa Laser system with a doubling frequency module
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser