Quantenkorrelationen in Terahertz-QCL-Kämmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Jirauschek
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491801597

Quantentechnologie (QT)- Plattformen, welche nichtklassische Zustände von Atomen, Licht und Festkörpersystemen ausnutzen, wurden jüngst in zahlreichen strategischen Bereichen wie Kommunikation, Computerwesen, Information, Sensorik und Metrologie realisiert. Errungenschaften im sichtbaren und nahen Infrarot(NIR)-Bereich haben kürzlich zu Fortschritten bei miniaturisierten und kompakten Geometrien geführt. Dies ermöglichte einerseits die Implementierung hochintegrierter Quantenplattformen und andererseits die Erweiterung auf unkonventionelle Spektralbereiche, deren Besonderheiten noch zu wenig genutzt werden. In dieser Hinsicht ist die QT-Migration in den Terahertz (THz)-Bereich technologisch anspruchsvoll, bietet allerdings enormes Potenzial. So können verschränkte THz-Zustände mit kontinuierlichen Variablen als Grundlage für die zukünftige Implementierung von Quantenberechnungsprotokollen oder Quantenteleportation dienen, oder um die Kapazität, Robustheit und Sicherheit ausgewählter Freiraum-Quantenkommunikationskanäle zu erhöhen. Zum Beispiel können die Besonderheiten der THz-Strahlung, wie die Durchdringung ansonsten undurchsichtiger Materialien oder Robustheit gegenüber Rayleigh-Streuung, zahlreiche Grenzanwendungen ermöglichen, wie quantensichere schnelle digitale Datenübertragung in undurchsichtigen oder rauen Umgebungen (Staub, Smog, Partikel) oder quantenverbesserte Empfindlichkeit in spektroskopischen und metrologischen THz-Aufbauten.Das Ziel von QATACOMB ist die Entwicklung einer miniaturisierten Festkörperplattform zur Erzeugung, Detektion und vollständigen Charakterisierung nichtklassischer gequetschter Zustände von THz-Strahlung. Dabei sollen THz-Quantenkaskadenlaser (QCL)-Frequenzkämme (FCs) als nichtlineare Quellen genutzt werden, gekoppelt mit nanoskaligen Graphen-Quantensensoren und hohlraumgekoppelten ultraschnellen kohärenten Detektoren. QCLs sind bisher die effizientesten miniaturisierten THz-Laser. Durch ihre breitbandige Verstärkung und kontrollierte Dispersion gelang vor Kurzem die kompakte Erzeugung von FCs beruhend auf Vierwellenmischung im Verstärkungsmedium. Folglich sind QCLs ideale Kandidaten für die Erzeugung von multimodigen gequetschten Lichtzuständen aufgrund quantenkorrelierter Seitenband-Moden. Insbesondere wurde die quantenverbesserte Empfindlichkeit aufgrund gequetschter Zweimoden-Zustände in sichtbaren/NIR-Spektroskopie- und Metrologie-Aufbauten sowie in Anwendungen für Gravitationswellen-Detektion und Zielerkennung demonstriert, was einen ähnlichen Ansatz für die THz-Quantensensorik nahelegt, wobei gequetschte Zweimoden-Zustände mithilfe harmonischer THz-QCL-Kämme realisiert werden können. Darüber hinaus kann die Kontrolle der Rotationsfreiheitsgrade in Molekülen durch THz-Strahlung neue Möglichkeiten für die Nutzung kalter molekularer Proben in der QT bieten. Die erfolgreiche Umsetzung der Projektziele wird disruptiv sein und grundlegendes Wissen in den strategischen Feldern THz-Photonik und QT beisteuern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Italien
• Kooperationspartner: Dr. Luigi Consolino; Dr. Sukhdeep Dhillon, Ph.D.