Chipbasierte Quantenspeicher auf Basis von Erbium-dotierten Silizium-Wellenleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Reiserer
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452035973

Die Realisierung globaler Quantennetzwerke mittels Quantenrepeatern ist ein zentrales Thema der heutigen Quantenwissenschaft. Zum einen würden dadurch neue, grundlegende Tests der Quantentheorie ermöglicht, zum anderen entstünden unzählige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung.Um ein großes Quantennetzwerk zu realisieren bedarf es jedoch Quantenspeichern, die harte Kriterien erfüllen. Erstens sollten sie eine hinreichende Speicherzeit in der Größenordnung einer Sekunde erreichen. Zweitens müssen sie Quantenbits mit hoher Effizienz fehlerfrei speichern. Drittens müssen sie als Photonenquelle im verlustarmen Telekom-Frequenzband dienen, oder zumindest mit einer solchen kompatibel sein. Schließlich sollten sie eine klare Perspektive bezüglich ihrer Skalierbarkeit aufweisen, d.h. viele Quantenbits gleichzeitig speichern können und aus kostengünstigen Materialien bestehen, die mit effizienten und robusten Verfahren hergestellt werden können.Trotz erheblichem Forschungsaufwand in unterschiedlichen physikalischen Systemen ist es noch nicht gelungen, einen solchen Quantenspeicher zu entwickeln. Besonders die letzten beiden Anforderungen haben sich als schwer realisierbar herausgestellt. Daher scheint es zwingend erforderlich zu sein, eine neue Quantenspeichertechnologie zu finden, die die Schwierigkeiten bestehender Ansätze überwindet. Zu diesem Zweck erforschen wir Erbium-Dotieratome in Wellenleitern aus Silizium.Quantenspeicher, die auf Dotieratomen beruhen, sind generell vielversprechend, weil sie die längste Speicherzeit aller Materialien – bis zu sechs Stunden – ermöglichen, und eine klare Perspektive zur Skalierbarkeit bieten. Unter allen bekannten Dotieratomen verfügt Erbium über das Alleinstellungsmerkmal, dass es Übergänge im sogenannten Telekom-Frequenzband (zwischen 1530 und 1565 nm) aufweist. Dies hat zwei entscheidende Vorteile: Zum einen ermöglich es die Transparenz von Silizium bei diesem Bereich, bereits etablierte nanophotonische Strukturen zu verwenden um die Skalierbarkeit sicher zu stellen. Zum anderen ist der Verlust von Signalen in optischen Glasfasern bei dieser Wellenlänge minimal – eine Grundvoraussetzung für globale Quantennetzwerke.Unser neuartiger Ansatz basiert auf Standard-Prozessen der Halbleiterindustrie, was den experimentellen Aufwand im Vergleich zu bereits erforschten Quantenspeichermaterialien dramatisch reduziert. Indem wir das volle Potential der Siliziumtechnologie ausschöpfen, um integrierte Quantenspeicher zu realisieren, legen wir eine neue Grundlage für abhörsichere Kommunikation und für künftige Quanteninformationsverarbeitung in Netzwerken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen