Speicherung eines einzelnen Photons in einer Dampfzelle bei Raumtemperatur für eine Sekunde

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Benson
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464346058

Quantennetzwerke und Quantenschlüsselverteilung sorgen für eine sichere Kommunikation, indem sie die Quantennatur einzelner Photonen ausnutzen. Quantenspeicher sind für Quanten-Repeater oder Verschränkungsdestillation erforderlich, um eine echte Skalierbarkeit und Informationsübertragung über große Entfernungen zu erreichen. Bei der optischen Quanteninformationsverarbeitung helfen Quantenspeicher, die photonischen Qubits zu verzögern und zu synchronisieren. Im Allgemeinen müssen Quantenspeicher Photonen kohärent speichern und freisetzen und sollten mit der optischen Mikrointegration kompatibel sein, um zukünftige Skalierbarkeit zu ermöglichen.Für dieses Vorhaben haben wir die vielversprechende Plattform von Alkaligaszellen bei Raumtemperatur ausgewählt. Mit elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) werden einzelne Photonen als Spin-Kohärenz in Hyperfein-Zuständen von Cäsiumatomen gespeichert. Wir werden drei wesentliche Resultate erzielen, die bisher in dieser Art von Quantenspeichern nicht gleichzeitig realisiert wurden: (1) lange Kohärenzzeiten, (2) effiziente Extraktion eines Einzelphotonensignals nach Speicherung vor einem großen Hintergrund und (3) große Speicherbandbreite.Aufbauend auf einem Vorschlag von Katz & Firstenberg werden wir einen Spin-Exchange-Relaxation-Free (SERF)-Unterraum nutzen, indem wir die Zeeman-Kohärenz zwischen zwei Hyperfeinzuständen mit Δm = 1 bei niedrigen Magnetfeldern nutzen. Als Modifikation ihres Protokolls werden wir die energetisch aufgespaltenen Hyperfeingrundzustände F = 3 und F = 4 verwenden, um eine spektrale Filterung des gespeicherten Signals unter Verwendung eines speziellen Filtersystems zu implementieren. Eine ausreichend große Bandbreite wird durch eine ausreichend hohe Leistung des EIT-Kopplungslasers erreicht.Wir streben ein herausragendes Ergebnis bezüglich der Speicherung von Quantenlicht an, nämlich die Speicherung und Wiedergewinnung eines einzelnen Photons mit einer Bandbreite von 100 MHz für eine Zeit von mehr als einer Sekunde in einer Alkaligasdampfzelle bei Raumtemperatur. Echte Einzelphotonen werden von zwei verschiedenen Quellen erzeugt und dann gespeichert: Eine ist eine „heralded“ Quelle, die auf resonator-verstärkter spontaner parametrischer Abwärtskonvertierung basiert, die andere ist eine „On-Demand“-Quelle, die Halbleiterquantenpunkte verwendet. Beide Quellen werden an die Cs D1-Linie des Speichers angepasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Arbitrary Waveform Generator
• Gerätegruppe: 6340 Funktionsgeneratoren