Mikrolaser-angeregte Quellen ununterscheidbarer Photonen für Quantennetzwerke

• Antragsteller: Dr. Tobias Huber-Loyola; Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449930472

In diesem Projekt sollen hochintegrierte Quellen für Quantenzustände des Lichts auf der Basis von Halbleiterquantenpunkten entwickelt werden. Unser Konzept geht dabei weit über die bestehenden Ansätze hinaus, indem es auf monolithisch integrierte Mikrolaser setzt, welche die Quantenpunkte resonant zur Emission einzelner, ununterscheidbarer Photonen anregen sollen. Die Mikrolaser selbst werden dabei elektrisch betrieben wodurch wir eine hohe Anwenderfreundlichkeit und Miniaturisierung erreichen. Während bei direkter elektrischer Ladungsträgerinjektion in Quantenpunkte über einfache p-i-n Strukturen Dekohärenzeffekte auftreten, führt unsere resonante, optische Anregung auf dem Chip zu hervorragender Ununterscheidbarkeit und zur Unterdrückung der Emission mehrerer Photonen. Der Herausforderung geeignete Halbleiterstrukturen herzustellen, begegnen wir mit modernsten Nanofabrikationsmethoden und Techniken, die es erlauben, Quantenpunkte deterministisch zu integrieren. Damit können wir Flüstergalerie-Mikrolaser mit niedriger Schwelle herstellen, deren Licht evaneszent in Stegwellenleiter mit deterministisch integrierten Quantenpunkten gekoppelt wird. Mittels in-situ Elektronenstrahllithographie stellen wir bei der Herstellung sicher, dass Quantenpunkte mit passender Emissionswellenlänge an jenen Stellen im Wellenleiter positioniert werden, wo sie optimal an die Wellenleitermode koppeln. Die Wellenleiter-Systeme werden Strahlteiler, Resonatoren zur Kontrolle der Emissionsdynamik und zur Maximierung der Photonenauskoppeleffizienz, sowie nichtlineare Elemente zur Frequenzkonversion umfassen. Mit der Frequenzkonversion sollen die einzelnen Photonen in das Telekommunikationswellenlängenband bei 1.55 Mikrometer konvertiert werden. In Summe legt unser Projekt damit die Grundlage für hochfunktionale, komplexe photonische Quantenschaltkreise, welche die Bausteine zukünftiger Quantenkommunikationssysteme und Quantencomputer sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gregor Weihs