Intensive Quanten-Lichtquelle mittels spontaner Vierwellenmischung in einer Hohlkernfaser

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Halfmann
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410249930

Optische Quantentechnologien erfordern notwendigerweise einzelne Photonen (oder Paare verschränkter Photonen) zur Kodierung, Speicherung oder Übertragung von Information. Insbesondere die Quantenkommunikation basiert auf photonischen Technologien. Als wesentliche Vorteile bewegen sich Photonen mit Lichtgeschwindigkeit und geringem Verlust über große Entfernungen, werden nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst, haben nur vernachlässigbare Wechselwirkungen miteinander, und können durch lineare Optik manipuliert werden. Darüber hinaus können Quantenkommunikationsnetze die bereits weltweit vorhandene, leistungsfähige photonische Infrastruktur für die klassische Datenübertragung nutzen und mit Quanten-Repeatern (z. B. auf Basis von Quantenspeichern für Licht) erweitern. Die Verfügbarkeit intensiver, deterministischer (oder zumindest „heralded“) und potenziell integrierbarer Einzelphotonen-Quellen ist eine wichtige Voraussetzung hierfür. Im Vorgängerprojekt wurden Studien an Einzelphotonen-Quellen in optisch dichten Ensembles kalter Atome durchgeführt. Insbesondere wurde eine intensive Quelle für Photonenpaare mittels spontaner Vierwellenmischung (S4WM) an kalten Atomen in einer Hohlkernfaser implementiert. Die Quelle erreichte einen Weltrekord-Wert in der spektralen Helligkeit, der den bisherigen Rekord um eine Größenordnung übertrifft, bei 100-fach reduzierter Pump-Leistung und 10-fach geringerer spektraler Bandbreite. Letztere ist bereits mit atomaren Quantenspeichern auf Basis von Protokollen größer Bandbreite kompatibel. In diesem Fortsetzungsprojekt soll die Intensität der S4WM-Quelle noch deutlich erhöht und die Kohärenzzeit verlängert (d.h. die Bandbreite reduziert) werden. Hierzu sollen technische Verbesserungen wie ein optimierter Ladevorgang aus der magneto-optischen Falle in die Hohlkernfaser, eine zusätzliche Kühlung der Atome in der Faser, eine weitere Unterdrückung der Reabsorptionsverluste durch optimierte Bedingungen der elektromagnetisch-induzierten Transparenz (EIT) während S4WM, sowie eine Reduzierung oder laser-kontrollierte Kompensation störender dynamischer Stark-Verschiebungen implementiert werden. Darüber hinaus soll als konzeptionell-neuartiger Ansatz Super-Fluoreszenz genutzt werden, um die Emission der S4WM-Quelle zu steigern. Ferner sollen mittels S4WM auch Multiphotonen-Zustände (korrelierte Photonenpaare) erzeugt werden. Das langfristige (über die geplante Projektlaufzeit hinaus) strategische Ziel ist es, die Einzelphotonenquelle nach Frequenzkonversion in einem Seltenerd-Ionen-dotierten Kristall als Quantenspeicher anzuwenden. Diese Kristalle ermöglichen große Speichereffizienz und lange Speicherzeit, sind integrierbar und skalierbar. Die Arbeitsgruppe des Antragstellers führte mehrere Weltrekord-Experimente in solchen Lichtspeichern durch. Über diese spezifische Zielsetzung hinaus kann erwartet werden, dass die intensive S4FM-Quelle weitere Anwendungen in der Quantentechnologie finden wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Thorsten Peters