Überwindung der spektralen Diffusion von Einzelphotonenemittern in einem Festkörper

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Reiserer
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547245129

Die Implementierung großer verteilter Quantensysteme ist eines der zentralen Forschungsthemen in der Quantentechnologie. Solche Systeme würden nicht nur neue Präzisionstests der Quantentheorie ermöglichen, sondern auch zahlreiche Anwendungen. Dies beinhaltet nachweisbar abhörsichere Kommunikation, Zeitmessungen und Sensoren mit bisher unerreichter Präzision, sowie die Verbindung kleinerer Quantenprozessoren um deren Rechenleistung zu erhöhen. Ein zentraler Schritt zur Realisierung solcher Systeme durch die Verschränkung entfernter Quantenbits ist die Implementierung einer effizienten und kohärenten Schnittstelle zwischen Stationären Emittern und optischen Photonen. Festkörper-basierte Emitter sind in diesem Zusammenhang besonders vielversprechend, weil sie im Vergleich zu anderen Systemen einen deutlich geringen experimentellen Aufwand benötigen. Allerdings leiden alle bisherigen Experimente mit solchen Emittern an spektraler Diffusion, d.h. an einer Änderung der Frequenz des emittierten Lichts im Laufe der Zeit. Dies hat bislang die Verschränkung entfernter Spins in Festkörpern mit hoher Rate und hoher Fidelity verhindert, was jedoch Voraussetzung wäre, um große verteilte Systeme zur Quanteninformationsverarbeitung zu realisieren. Das Ziel dieses Antrags ist es, dieses Hindernis zu beseitigen, indem optimierte Materialien mit fortschrittlichen Kontrolltechniken kombiniert werden. Dabei werden zwei Ansätze verfolgt: Erstens werden hochreine kristalline Membranen als Wirt für die Dotieratome verwendet. Dadurch werden die beiden Hauptquellen spektraler Diffusion, "Spinrauschen" und "Ladungsrauschen" aufgrund von Verunreinigungen und Grenzflächen in früheren Experimenten minimiert. Zweitens wird die Sensitivität der optischen Übergänge der Dotieratome auf verbleibende Störungen minimiert, indem spezifische Bedingungen realisiert werden, bei denen die Energieniveaus bei sich ändernden elektrischen und magnetischen Feldern unverändert bleiben. Diese Konzepte werden in einem neuen Aufbau kombiniert, der gleichzeitig mechanische Vibrationen als einzige verbleibende Quelle spektraler Instabilität minimiert. Dadurch wird die spektrale Diffusion von Einzelphotonen-Emittern mit Frequenz-Multiplexing im Telekom-C-Band vollständig eliminiert. Dies würde einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der verteilten Quanteninformationsverarbeitung in Festkörpersystemen bedeuten. Viele der untersuchten Techniken lassen sich auf andere Emitter übertragen, sodass die Ergebnisse auch in anderen Hardware-Plattformen Verwendung finden werden. Ein großer Vorteil des untersuchten Systems ist dabei dessen extrem schmale Linienbreite von weniger als 1 kHz - hundertmal schmaler als der aktuelle Rekord. Dies ermöglicht es, tausende Quantenbits im gleichen Resonator durch spektrales Multiplexing zu kontrollieren. Dabei erlaubt der neue Aufbau, die ultimativen Grenzen für die spektrale Stabilität von Photonenemittern in Festkörpern experimentell zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen