Extrem sub-Wellenlängen Arrays mit Yb-Atomen in optischen Gittern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Monika Aidelsburger
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561188949

Eine der großen Herausforderungen besteht darin, die grundlegenden Konzepte der Quantenmechanik in realisierbare Anwendungen zu überführen. Wichtige Ressourcen hierfür sind viele-qubit-verschränkte Zustände, wobei in der Quantenoptik die Verschränkung von lokalisierten (z. B. Atomen) und fliegenden Qubits (Photonen) im Fokus steht. Die Anzahl verschränkter Qubits und somit die Skalierbarkeit ist in heutigen Systemen durch Wechselwirkungsstärke, Dekohärenzmechanismen und Integrationspotenzial mit anderen quantenmechanischen Systemen beschränkt. Zudem arbeiten die meisten quantenoptischen Plattformen für Atom-Photon-Wechselwirkungen im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich (≈ 700–1000 nm), während für Kommunikationsanwendungen Telekom-Wellenlängen (≈ 1,25–1,65 μm) nötig sind, um geringe Verluste in optischen Fasern zu erreichen. Zur Überwindung dieser Hürden sind neue Plattformen gefragt, die verbesserte Atom-Atom- und Atom-Photon-Wechselwirkungen sowie eine effiziente Frequenzumwandlung bieten. Bislang fehlt jedoch ein System, das sowohl lange Kohärenzzeiten als auch Telekom- Photonen-Wechselwirkungen ermöglicht. Kollektive Anregungen vieler Emitter in neutralen Atom-Arrays haben kürzlich aufgrund der kontrollierbaren Atom-Photon-Wechselwirkung in geordneten Subwellenlängen-Arrays neues Interesse geweckt. Erste Experimente mit Rb-Atomen in 2D-Arrays zeigten bereits erste kollektiver Resonanzeffekte im moderaten Subwellenlängenbereich. Dieses Projekt zielt darauf ab, das System auf extreme Bereiche auszudehnen, in denen der Abstand benachbarter Emitter etwa 0,25 der Wellenlänge beträgt, was eine höhere Güte der kollektiven Antwort erwarten lässt. Dabei beabsichtigen wir, die besondere Niveaustruktur von 171Yb-Atomen zu nutzen, um eine Plattform zu entwickeln, die eine subradiante Antwort im Telekom- Wellenlängenbereich ermöglicht. In enger Kooperation zwischen LMU und HUJI untersuchen wir potenzielle Störungen und streben eine höhere Güte in magischen Wellenlängen-Arrays sowie extremen Subwellenlängen-Arrays an, da diese robustere kollektive Effekte versprechen. Parallel werden wir neue Verschränkungsprotokolle entwickeln, die auf fortschrittlichen Quanteninformationsverarbeitungstechniken beruhen und den Kernspin-1/2-Freiheitsgrad von 171Yb nutzen. Zudem entwickeln wir experimentelle Methoden, um das Atom-Array mit Telekom-Photonen zu verbinden und in faserbasierte Optiken zu integrieren. Wir sind überzeugt, dass dies eine einzigartige Quantenoptik-Plattform schaffen wird, um kollektive Atom-Photon-Wechselwirkungen zu erforschen, und vielversprechende Ansätze für zukünftige Verschränkungsprotokolle bieten wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Partnerorganisation: The Israel Science Foundation
• Kooperationspartnerin: Dr. Rivka Bekenstein