Metaoberflächen für die kontrollierte Erzeugung von Photonenpaarquantenzuständen

• Antragsteller: Dr. Sina Saravi
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505897284

Metaoberflächen aus dielektrischen Nanoresonatoren mit einer Dicke im Subwellenlängenbereich ermöglichen eine weitreichende Kontrolle der Eigenschaften von Licht. In den letzten Jahren wurde diese Kontrolle auf parametrisch nichtlineare Prozesse wie die Summenfrequenzerzeugung ausgedehnt, wobei die Polarisation und die Richtung des nichtlinear erzeugten Lichts bei gleichzeitig hoher Konversionseffizienz gesteuert werden konnte. Dies macht nichtlineare Metaoberflächen auch für Quantentechnologien interessant, insbesondere für die Realisierung sehr dünner, aber effizienter und hochgradig anpassbarer Quellen für Photonenpaare. Dieses Potential wird durch erste Experimente zur spontanen parametrischen Erzeugung von Photonenpaaren in nichtlinearen Metasurfaces untermauert. Das Potential von Metaoberflächen zur Kontrolle zahlreicher photonischer Freiheitsgrade macht jedoch die Modellierung eines nichtlinearen Quantenprozesses zu einer großen Herausforderung. Eine solche Beschreibung wird jedoch benötigt, um die Photonenpaarerzeugung zu kontrollieren und die Eigenschaften der erzeugten Paare zu steuern. Bislang hat das Fehlen eines Modells sowohl einen grundlegenden Einblick in die Funktionsweise von Metaoberflächen-Photonenpaarquellen als auch deren gezieltes Design verhindert. Ziel von MEGAPHONE ist es daher, eine Methodik für eine genaue, rechnerisch effiziente und physikalisch aufschlussreiche Beschreibung der Erzeugung von Photonenpaaren in dielektrischen Metaoberflächen zu entwickeln und diese Methodik zu nutzen, um hocheffiziente Quellen für maßgeschneiderte Photonenpaare zu schaffen. Dazu werden wir auf quasinormale Moden zurückgreifen, eine Klasse von Moden, die sich für die Beschreibung offener elektromagnetischer Systeme eignen, welche an Strahlungsmoden koppeln oder interne Verluste aufweisen. MEGAPHONE wird die Erzeugung von Photonenpaaren in nichtlinearen Metaoberflächen mit verschiedenen Geometrien untersuchen. Insbesondere werden periodische und nicht-periodische Anordnungen von nicht-interagierenden als auch interagierenden dielektrischen Nanoresonatoren untersucht. Durch eine Kombination aus analytischen und numerischen Ansätzen wird MEGAPHONE sowohl die Effekte offener Systeme untersuchen, die die Genauigkeit des erzeugten Quantenzustands im Vergleich zum idealen Zielzustand verringern können, als auch mögliche Ansätze zur Erhöhung dieser Genauigkeit aufzeigen. Basierend auf diesen theoretischen Grundlagen werden die MEGAPHONE-Partner konkrete Beispiele von Photonenpaarquellen experimentell demonstrieren. Die Ergebnisse dieses Projekts werden den Weg für die breite Entwicklung von Metasurface-Photonenpaarquellen für verschiedene Bereiche der photonischen Quantentechnologien ebnen, die von der Freiraum-Quantenkommunikation bis zur Quantenbildgebung und -sensorik reichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Adrien Borne; Professor Dr. Giuseppe Leo
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Pertsch