Ultrahochvakuum-Kryostat für hybride Quantenoptikexperimente mit ultrakalten Rydbergatomen

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511437600

Es wird eine Apparatur zur Realisierung und Untersuchung von Quanten-Hybridsystemen, bestehend aus ultrakalten Rydberg-Atomen gekoppelt an elektromechanische Festkörpersysteme beantragt. Mit der Apparatur sollen fundamentale Fragen zur Quantenmechanik wie Dekohärenz und Übergang zwischen klassischer und Quanten-Physik untersucht werden. Gleichzeitig werden auch neuartige Methoden zur Manipulation und Übertragung von Quanteninformation zwischen Mikrowellen-basierten Festkörper-Quantencomputern und in einzelnen optischen Photonen codierten „fliegenden“ Qubits untersucht und entwickelt. Die Gesamtapparatur besteht zentral aus einem Ultrahochvakuum-Kryostat, in dem einerseits magnetisch und optisch gefangene ultrakalte Atome erzeugt und bearbeitet werden können und andererseits elektromechanische Resonatoren und supraleitende Schaltkreise betrieben werden können. Weitere Komponenten der Gesamtapparatur sind Laser für optisches Kühlen und Fangen sowie zur Rydberg-Anregung von Rubidium-Atomen, ein Mikrowellen-Signalgenerator, ein Netzwerkanalysator für das Anregen und Auslesen der elektromechanischen Systeme im GHz-Frequenzbereich sowie ein 8-Kanal-Einzelphotondetektor zur Messung von Photon-Photon-Korrelationen und Verschränkung zwischen optischen Photonen und einzelnen Mikrowellen-Phononen oder Photonen im Festkörpersystem. Die beantragten Komponenten werden kombiniert mit einem Vorgänger-Aufbau, in dem Rydberg-Anregungen in einer Raumtemperatur-Vakuumkammer untersucht wurden. Die geplanten Experimente in einer kryogenen Umgebung sind ein fundamental neuer Ansatz zur Ausnutzung von Rydberg-Rydberg-Wechselwirkungen und des Rydberg-Blockade-Mechanismus. Unsere Arbeitsgruppe nutzt diesen Mechanismus seit einigen Jahren erfolgreich zur Erzeugung von optischen Nichtlinearitäten auf dem Einzel-Photon-Niveau und daraus resultierender effektiver Wechselwirkung zwischen einzelnen Photonen. Dadurch lassen sich quantenoptische Schaltelemente wie Transistoren und Logikgatter für einzelne Photonen realisieren, die eine zentrale Komponente von Quanteninformationsaufbauten sind. In dieser neuen Apparatur soll der von uns vorangetriebene Ansatz auf ein völlig neues Quantensystem, einen mikro-mechanischen Oszillator (MEMS), übertragen werden. Mit Hilfe der optischen Nichtlinearität sollen zum Beispiel nicht-klassische Schwingungszustände des MEMS erzeugt und ausgelesen werden. Neben fundamentalen Fragen zur Quantenmechanik „großer“ Objekte sind MEMS im Quantenregime als Quantensensoren und Quanteninformationsspeicher für supraleitende Quantencomputer von großem Interesse. Insbesondere zielt unser Forschungsvorhaben auf die Realisierung einer optischen Schnittstelle für Mikrowellen-Quantencomputer, welche die Vernetzung dieser Maschinen über lange Distanzen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Ultrahochvakuum-Kryostat für hybride Quantenoptikexperimente mit ultrakalten Rydbergatomen
• Gerätegruppe: 5730 Spezielle Laser und -Stabilisierungsgeräte (Frequenz, Mode)
• Antragstellende Institution: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
• Leiter: Professor Sebastian Hofferberth, Ph.D.