Erzeugung von nichtklassischem Licht mittels Resonator Quantenelektrodynamik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Jirauschek; Professor Dr. Kai Müller
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471080402

Photonische Quantentechnologien sind ein aufstrebendes Feld mit dem Potenzial, die Wissenschaft und das tägliche Leben gleichermaßen zu revolutionieren. Unter anderem umfasst dies absolut abhörsichere Kommunikation, leistungsstarke Computer und Datenspeicher sowie Sensoren mit erhöhter Empfindlichkeit und Funktionalität. Diese Fortschritte setzen die Entwicklung von Quantenlichtquellen voraus. Für den Übergang zu „Quantum 2.0“-Bauelementen basierend auf Quantensuperposition und -verschränkung ist es notwendig, die Erzeugung und Verarbeitung von Quantenlichtzuständen mit skalierbaren und integrierten Architekturen voranzutreiben.Die Erzeugung von Zuständen mit definierter Photonenzahl ist eine Herausforderung mit zentraler Bedeutung für quantenphotonische Anwendungen. Festkörperbasierte Quantenemitter, und insbesondere Halbleiter-Quantenpunkte (QPe), stellen ein attraktives System dar, das durch Integration in Halbleiterstrukturen gut kontrollierbar ist und von den etablierten Fabrikationsverfahren der Halbeitertechnologie profitiert. Allerdings ist die Inhomogenität bzgl. Emissionsspektrum und -rate ein ernsthaftes Hindernis für die Realisierung skalierbarer Quantennetzwerke. So sind QPe ungeeignet für Protokolle, welche identische Photonen (z. B. für linear-optisches Quantenrechnen) oder den Austausch von Photonen zwischen zwei Qubits beinhalten. Dieses Problem kann durch adiabatische Techniken wie „cavity assisted stimulated Raman adabatic passage (STIRAP)“ gelöst werden. Ziel dieses Projektes ist es, durch Kombination experimenteller und bahnbrechender theoretischer/numerischer Methoden verschiedene Resonator-unterstützte Techniken für die Erzeugung hochwertiger Einzelphotonen zu untersuchen. Dieser mikroskopische Ansatz berücksichtigt die genaue Position und Größe der QPe sowie Einflüsse wie Doppelbrechung, welche kritisch für ausgefeilte Protokolle sind. Zusätzlich zur Realisierung hochwertiger Einzelphotonen-Quellen ebnet dieses Vorhaben den Weg für deterministische Photon-Photon-Gatter, eine Schlüsselressource für effizientes photonisches Quantenrechnen.Dieses Vorhaben wird durch die Bündelung der Expertise dreier Gruppen ermöglicht - zweier Theoriegruppen, welche einzigartige und komplementäre Expertise in der Entwicklung eines revolutionären theoretischen Gerüsts beitragen, sowie einer experimentellen Gruppe, welche wesentliche Experimente zur Modellvalidierung durchführen wird. Prof. Müllers Gruppe verfügt über herausragende Expertise in der Erzeugung von Quantenlicht mit Halbleiter-QPen. Dr. Slavchevas Gruppe hat Pionierarbeit im Bereich neuartiger quantenstochastischer Modellierung der Licht-Materie-Wechselwirkung in quantenphotonischen Nanostrukturen und Bauelementen geleistet. Prof. Jirauscheks Gruppe verfügt über umfassende Kompetenz in stochastischer elektromagnetischer Feldmodellierung sowie in der hochgenauen numerischen Lösung der Maxwell-Bloch-Gleichungen für die dynamische Modellierung optoelektronischer Bauelemente.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Dr. Gabriela Slavcheva