Radiofrequenz-Quantenphotonik mit Photonen-Druck gekoppelten LC Schwingkreisen

• Antragsteller: Dr. Daniel Bothner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490939971

Die Möglichkeit physikalische Systeme mit einer nur durch quantenmechanische Unschärfen begrenzten Genauigkeit zu detektieren und zu manipulieren hat die Entwicklung bahnbrechender Sensoren ermöglicht, hat zu einer Vielzahl wissenschaftliche Entdeckungen geführt und das Zeitalter der Quanteninformations-Wissenschaft eingeleitet. Für elektromagnetische Felder und elektrische Schaltkreise, zwei der elementarsten Bausteine moderner Technologien, ist solch ein Quanten-Zugriff derzeit für Frequenzen im Bereich einiger GHz bis in den Röntgenbereich möglich. Für Photonen niedrigerer Frequenz im MHz oder sogar kHz Bereich, ein hoch-relevanter Spektralbereich für viele Forschungszweige von Medizin bis zur Suche nach dunkler Materie, sind Quanten-Kontrolle und Quanten-Detektion derzeit noch durch thermische Effekte und Dekohärenz erschwert.Das Ziel dieses Vorhabens ist es diese Herausforderung anzugehen und quanten-begrenzte Beobachtung sowie Quanten-Kontrolle elektrischer Schaltkreise im MHz Bereich zu erreichen. Dafür soll eine neuartige, kürzlich entwickelte Wechselwirkung zwischen zwei supraleitenden Schaltkreisen verwendet werden: Photonen-Druck-Kopplung. Dabei handelt es sich um eine Wechselwirkung, die äquivalent ist zur Strahlungsdruck-Kopplung zwischen Licht und einem mechanischen Oszillator in einem optomechanischen System. Das Gebiet der Optomechanik hat bemerkenswerte Fortschritte auf dem Weg zur Quanten-Kontrolle mechanischer Bewegung erzielt, d.h., zu einer Quanten-Phononik. Das Konzept hinter den aufregenden Möglichkeiten Photonen-Druck gekoppelter Schaltkreise ist, dass ein thermisch besetzter Schwingkreis niedriger Frequenz durch einen weiteren Grundzustands-Schwingkreis hoher Frequenz ausgelesen und manipuliert werden kann (hier: ein supraleitender Mikrowellen-Schwingkreis in einem Misch-Kryostaten). In diesem Vorhaben sollen einige der vielversprechendsten Experimente aus der Optomechanik auf elektrische Schwingkreise angewendet werden, im Besonderen die Erzeugung quanten-gequetschter Zustände, die rückwirkungs-vermeidende Detektion von RF-Strömen und die Quanten-Verschränkung zweier RF-Schwingkreise. Als zweite Forschungslinie planen wir eine neue Art der Photonen-Druck-Wechselwirkung zu realisieren, sogenannte dissipative Photonen-Druck-Kopplung. Diese wird zusätzliche Wege für die Manipulation und die Detektion von RF Photonen eröffnen, im Besonderen im Hinblick auf extrem niederfrequente Quanten-Schaltkreise bis hinunter in den kHz Bereich.Die Ergebnisse dieses Vorhabens werden einen großen Schritt in Richtung einer Radiofrequenz Quanten-Photonik darstellen, sie werden das junge Forschungsfeld Photonen-Druck gekoppelter Schwingkreise signifikant voranbringen und sie haben Anwendungspotenzial für eine große Vielfalt wissenschaftlicher Experimente und Technologien, beispielsweise die quanten-verbesserte Suche nach dunkler Materie in Form von Axionen, Quanten-RADAR, RF-Galvanometrie oder quanten-verbesserte Spin-Resonanz Detektoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Reinhold Kleiner; Professor Dr. Dieter Kölle