Hybride chip-basierte Quantenphotonik auf der Basis deterministischer Einzelphotonenquellen bei Telekommunikations-Wellenlängen und Einzelphotonendetektoren mit verlustarmen Wellenleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Michler; Professor Dr. Wolfram Hans Peter Pernice
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469373712

Integrierte photonische Quantentechnologien bieten eine attraktive Plattform für unterschiedliche Forschungsfelder im Bereich der Simulation komplexer Phänomene, für die Quantensensorik und die Quanteninformationsverarbeitung. Im Rahmen dieses Projektes sollen dafür zwei der vielversprechendsten Ansätze hybrid kombiniert werden: 1) Halbleiter Quantenpunkte zur deterministischen Erzeugung von nicht-klassischen Lichtzuständen; und 2) Silizium-Photonik für die Herstellung hoch-funktionaler photonischer Schaltkreise mit geringen Verlusten. Dazu sollen sowohl technologische Aspekte wie die Kombination mehrerer photonischer und quantenphotonischer Strukturen, als auch fundamentale physikalische Fragestellungen beantwortet werden. Darunter fällt die Erzeugung von Vielphotonenzuständen aus separaten Quellen und die Untersuchung spektraler Diffusion als auch die Interaktion mit der Festkörperumgebung.Das IHFG ist führend in der Realisierung von Quantenpunkten zur Erzeugung einzelner, ununterscheidbarer und verschränkter Photonen bei Telekommunikations-Wellenlängen. Die WWU forscht führend im Bereich der 3D gedruckten Optik und zu Wellenleiter-integrierten Einzelphotonendetektoren. Eine zentrale Stärke des Vorhabens liegt in der Implementierung und experimentellen Realisierung von Experimenten mit mehreren Quellen, was wichtige Schritte hin zu skalierbaren und komplexen Systemen bietet. Zudem sollen im Rahmen des Vorhabens beide Materialsysteme separat optimiert werden und über einen hybriden Integrationsansatz zu einem System kombiniert werden. Dazu sollen 3D gedruckte single-mode Wellenleiter mit geringen Verlusten eingesetzt werden. Die Ziele des Vorhabens umfassen:1) Die Realisierung von hellen, durchstimmbaren Quellen nicht-klassischen Lichtes für den Telekommunikationsbereich. Dies soll durch optimiertes Wachstum und deterministische Lithographie erreicht werden (IHFG).2) Die Implementierung von 3D Schnittstellen für die hybride Integration mit Siliziumphotonik (WWU). 3) Die Realisierung von verlustarmen Silizium-basierten photonischen Schaltkreisen für den Betrieb mit QD-Emittern. Diese beinhalten Wellenleiter, Strahlteiler, Filter, Phasenschieber und supraleitenden Einzelphotonendetektoren.4) Die Erzeugung von Vielphotonenzuständen über zwei-Photonen-Interferenz von getrennten Quellen, sowie deren Manipulation mit integriert photonischen Strukturen5) Basierend auf dem physikalischen Verständnis die Implementierung von Chips mit mehreren Quellen um Skalierbarkeit und Komplexität darzulegen.6) Die Implementierung von Quantensimulationen, z.B. Boson sampling mit mehreren deterministischen Quellen.Das Erreichen dieser Ziele wird die erwähnten Quantentechnologien maßgeblich vorantreiben und das grundlegendes Verständnis photonischer Quantenphysik erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Simone Luca Portalupi