Chipbasierte Quantenspeicher auf Basis von Erbium-dotierten Silizium-Wellenleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Implementierung großer Quantennetzwerke wird durch Photonenverluste verhindert, die in optischen Kanälen unvermeidbar sind. Dies kann mit Hilfe sogenannter Quanten-Repeater überwunden werden. Ihre Implementierung erfordert Quantenspeicher, die anspruchsvolle Anforderungen erfüllen müssen: Sie sollten eine lange Kohärenzzeit in der Größenordnung von einer Sekunde aufweisen und die effiziente Speicherung und kontrollierten Abruf von Qubits mit hoher Effizienz und Fidelity erlauben. Darüber hinaus sollen sie als Quelle für einzelne Photonen dienen und ein effizientes Multiplexing ermöglichen. Trotz zahlreicher Bemühungen in verschiedenen physikalischen Systemen stellt die Implementierung solcher Quantenspeicher jedoch eine große Herausforderung dar. Im Projekt wurde eine neue Hardware-Plattform untersucht, um dieses Ziel zu erreichen. Zu diesem Zweck wurden Erbium-Dotieratome in nanophotonische Strukturen integriert. Indem Wellenleiter und Resonatoren genutzt wurden, um das Lichtfeld auf kleinen Skalen zu lokalisieren, wurde eine Quantenschnittstelle zwischen Ensembles von Erbium- Emittern und eintreffenden Photonen im Telekommunikationsfenster – im sog. C-Band – realisiert. Diese weist eine homogene Linienbreite von unter 10 kHz auf und damit eine deutlich bessere optische Kohärenz als vergleichbare nanophotonische Quantenspeicher. Der Spin-Zustand der Dotieratome wurde durch optisches Pumpen initialisiert, was spektrales Lochbrennen ermöglicht hat. Dabei wurde eine Lebensdauer von mehr als einer Sekunde bei Temperaturen unter 4 K erreicht. Aufgrund der moderaten Ausbeute bei der Integration der Dotieratome ist es erforderlich, die optische Zustandsdichte zu erhöhen, um eine Quantenspeicher mit hoher Effizienz zu realisieren. Zu diesem Zweck wurden photonische Kristallstrukturen untersucht, die einen Verstärkungsfaktor von mehr als 100 erreichten. Dies ermöglicht die Adressierung und Kontrolle einzelner Erbium-Dotieratome durch frequenzselektive optische Anregungspulse. So wurde in kleinen nanophotonischen Resonatoren ein Purcellverstärkter Quantenspeicher demonstriert, der effizient einzelne Photonen emittieren kann und eine Kohärenz von 0,05 ms aufweist. Diese kann in Zukunft durch dynamische Entkopplung noch weiter verbessert werden, potentiell bis zur Lebensdauergrenze von mehreren Sekunden. Schließlich wurde gezeigt, dass entsprechende Bauelemente in einer kommerziellen Nanophotonik-Foundry hergestellt werden können. Zusammengenommen ebnen diese Fortschritte den Weg für den Einsatz der neuen Hardware-Plattform in Quantennetzwerken und Quantenverstärkern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Photonic Element for a Quantum Information Processing Device and Method for Producing Such," U.S. patent WO2022258204A1 (December 15, 2022).
A. Reiserer, A. Gritsch & L. Weiss
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Narrow Optical Transitions in Erbium-Implanted Silicon Waveguides. Physical Review X, 12(4).
Gritsch, Andreas; Weiss, Lorenz; Früh, Johannes; Rinner, Stephan & Reiserer, Andreas
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Erbium emitters in commercially fabricated nanophotonic silicon waveguides. Nanophotonics, 12(17), 3455-3462.
Rinner, Stephan; Burger, Florian; Gritsch, Andreas; Schmitt, Jonas & Reiserer, Andreas
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Purcell enhancement of single-photon emitters in silicon. Optica, 10(6), 783.
Gritsch, Andreas; Ulanowski, Alexander & Reiserer, Andreas
