Kontrolle nicht-klassischer Lichtzustände durch lineare und nicht-lineare Wechselwirkung in Hybridsystemen auf der Basis einzelner Halbleiter-Quantenpunkte und Alkali-Atomgas

• Antragsteller: Dr. Robert Löw; Professor Dr. Peter Michler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281308554

Das zentrale Ziel des Forschungsprojekts liegt in der Realisierung und detaillierten Untersuchung neuer Hybrid-Konzepte zur Generation und speziell Manipulation nichtklassischer Lichtzustände mittels gezielter Wechselwirkung zwischen Photonen (emittiert von Halbleiter-Quantenpunkten (QDs)) und Alkali-Atomen (Gas) als Kontrollmedium. Die fundamentale Basis unserer geplanten Untersuchungen ist die Erzeugung von spektral sehr schmalbandigem Licht in Form von Resonanzfluoreszenz (RF) einzelner Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)-QDs. Diese dienen als Quelle für Photonen, die in kontrollierte Wechselwirkung mit den charakteristischen D1-Resonanzen von atomarem Cäsium (133Cs) bei ~894 nm gebracht werden können. Eine essentielle Voraussetzung für QD-Atom-Wechselwirkung wird hierbei durch die präzise spektrale Abstimmung der QD-RF relativ zu den atomaren Übergängen der D1-Hyperfeinstruktur definiert. Die Effizienz (nicht-) linearer Wechselwirkung wird dabei empfindlich von der spektralen Ähnlichkeit optischer Übergänge in beiden Teilsystemen (Photonenquelle und dispersivem Medium) bestimmt. Aus diesem Grund sind Techniken zur präzisen nachträglichen Anpassung der photonischen Linienbreite an das atomare Cs-D1-System ebenfalls essentiell. Das Projekt sieht verschiedene Ansätze zur Konditionierung der QD-Emission vor: (a) Deterministische Photonenerzeugung über optische pi-Pulse zur resonanten Anregung, (b) direkte Erzeugung ultra-schmalbandiger RF über kohärente, elastische Photonenstreuung an einzelnen QDs im Limit schwacher Anregung und (c) spektrale Nachfilterung von RF einzelner QDs unter resonanter Anregung. Zur Filterung soll neben der Verwendung von speziell angepaßten Schmalband-Transmissionsfiltern auch die Selektion und Filterung mit Hilfe des FADOF-Verfahrens (Faraday anomalous dispersion optical filter) erstmals in Kombination mit QDs zum Einsatz kommen. Unter Verwendung derartig konfektionierter Photonen besteht das Ziel des Vorhabens in der Realisierung von grundlegenden Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung. Eines unserer gesteckten Ziele besteht in der kontrollierten Speicherung von einzelnen Photonen über die Erzeugung von Licht mit verringerter Gruppengeschwindigkeit innerhalb des stark dispersiven Frequenzbereichs ausgewählter D1-Resonanzen (Cs) und der Speicherung über nicht-resonante Raman-Schemata. Der zweite Schwerpunkt des Projekts liegt in der Manipulation von gespeicherten Photonen und der Erzeugung von Photonen-Zahlzuständen höherer Ordnung, wobei hier Cs-Atome als hochangeregtes Rydberg-Gas mit kontrollierbar attraktiver oder repulsiver Wechselwirkung zur Steuerung von Photonen dienen. Das Rydberg-Gas könnte hierbei z. B. als optischer Transistor für Einzelphotonen Verwendung finden, um einzelne unabhängige Quanten in einen Zwei-Photonen-Zustand in derselben Ausbreitungsmode zu überführen. Die Streuung im Atom-Medium wird dazu von einem externen Rydberg-Pumplaser kontrolliert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen