Verbindung von klassischer Elektrodynamik und Quantendynamik - eine Theorie zur Quantisierung von Photonen in räumlich ausgedehnten Nanobauelementen

• Antragsteller: Dr. Marten Richter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525575745

Im Rahmen des Projekts wird eine theoretische Grundlage für die Konstruktion von Hamilton- und Lindbladoperatoren (insbesondere System-Bad-Wechselwirkungen zur Beschreibung der Lichtausbreitung) entwickeln; das Hauptziel ist methodisch. Der resultierende Formalismus soll es theoretischen und bis zu einem gewissen Grad auch experimentellen Physikern ermöglichen, realistische (numerische) elektrodynamische Berechnungen von photonischen Bauelementen jenseits üblicher einfacher Beispiele durchzuführen, um die Parameter von Hamilton- und Lindbladoperatorenn zu erhalten. Ein Hauptaugenmerk liegt auf einem praktikablen Schema mit einem schnellen, wohldefinierten und zuverlässigen (Parameter-)Austausch zwischen Gruppen, aus der computergestützten Photonik einerseits und andererseits aus der Quantendynamik, um Quantenbauelemente anhand von mikroskopisch berechneten Parametern zu verstehen und zu entwerfen. Das Projekt baut auf einem Quasi-Normalmoden (QNM)-Formalismus auf, der ein zuverlässiges Schema für ein verallgemeinertes Jaynes-Cummings-Modell für einen einzelne Kavität oder eine einzelne plasmonische Struktur mit wenigen QNM bietet. Das Modell deckt jedoch nur rudimentär die Aspekte der Eingangs- und Ausgangsbeziehungen, der Detektortheorie und der Ausbreitung außerhalb des Hohlraums über die System-Bad-Wechselwirkung ab. Eine detaillierte Behandlung und Verallgemeinerung dieser Aspekte hin zu erweiterten Quantenbauelementen und Netzwerken, die aus mehreren Kavitätem, plasmonischen oder anderen photonischen Strukturen mit gebundenen Moden und Verbindungen (z. B. Wellenleitern) mit sich ausbreitenden Photonen bestehen - ist das primäre Ziel des Projekts, wobei der Schwerpunkt auf der Schaffung der theoretischen Grundlagen liegt. Die Anwendungen dieser Strukturen reichen von Quantenlicht wie Einzelphotonen und verschränktem Licht bis hin zu Quantenkommunikation, Quantenkryptographie, Quantengattern und -registern. Die Erweiterung der zuvor entwickelten Theorie wird eine Beschreibung komplexer räumlich strukturierter Nanostrukturen ermöglichen. Daher werden im Rahmen des Projekts Rezepte für eine praktikable (und schnelle) Parameterberechnung unter Verwendung von Techniken aus der computergestützten Photonik wie im Fall von QNM für die gebundenen Moden entwickelt. Am Ende wird eine Reihe von Bausteinen zur Verfügung stehen für die theoretische Beschreibung eines erweiterten Quantenbauelements oder -netzwerks (Observablen, Hamilton-, Lindbladoperator usw.), die alle auf Quantenemittern, gebundenen Moden in Kavitäten und Verbindungselementen wie komplex strukturierten Wellenleitern aufbauen und Rezepte für effiziente Berechnungen von Kopplungselementen zur Verfügung stellen. Das Ergebnis wird die Berechnung von Parametern ermöglichen, die schließlich in FEM- und FDTD-Solver integriert und von Experimentatoren verwendet werden können. Dies wird durch erste Anwendungen auf Quantenstrukturen begleitet, um die Machbarkeit zu testen und zu bestätigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen