Zukünftige Anwendungen von optischen Quantentechnologien hängen in hohem Maße von der Verfügbarkeit miniaturisierter und zuverlässiger optischer Bauelemente mit speziell zugeschnittenen Funktionen ab. In unserer Gruppe arbeiten wir an der Entwicklung sogenannter integriert optischer Schaltkreise für verschiedene Quantenanwendungen. Ziel ist dabei - analog zu integriert elektrischen Schaltkreisen - verschiedene optische Funktionselemente in einem gemeinsamen Substrat zu integrieren und damit optische Chips mit komplexer Funktionalität, hoher Effizienz und kompakter Bauweise zu realisieren.

Quellen zur Erzeugung einzelner Photonen oder Photonenpaare sind grundlegende Voraussetzungen für viele quantenoptische Anwendungen. In den letzten Jahren haben wir eine Vielzahl verschiedener integriert optischer Versionen solcher Quellen entwickelt [2-4]. Alle diese Quellen nutzen die chi(2)-Nichtlinearität von LiNbO₃, die die Erzeugung von Photonenpaaren durch parametrische Abwärtskonversion (PDC) ermöglicht. Dabei zerfällt ein Pumpphoton in zwei Tochterphotonen, die als Signal- und Idler-Photon bezeichnet werden. Dieser PDC-Prozess unterliegt den Regeln der Energieerhaltung und der Phasenanpassung (Impulserhaltung), wobei Letztere durch Quasi-Phasenanpassung in einer periodisch polarisierten Struktur realisiert werden kann.

Schwerpunkte der Arbeiten in den vergangenen Jahren war die Entwicklung spezifischer maßgeschneiderter Quellen. Dazu zählen beispielsweise benutzerfreundliche Plug-and-Play-Quellen mit Faserpigtails oder auch spektral schmalbandige PDC-Quellen, die z.B. effizient an Quantenspeicher angekoppelt werden können. 

Zukünftige Arbeiten werden sich schwerpunktmäßig auf die Entwicklung von Quellen in TFLN konzentrieren. Durch das Ausnutzen von beispielsweise Wellenleiterdispersion oder resonanten Strukturen ergeben sich in TFLN ganz neue Designmöglichkeiten mit einem breiten Anwendungsspektrum in Quantencomputing, -metrologie und -kryptographie. 

Das Hauptziel der „integrierten Quantenoptik“ ist die monolithische Integration komplexer optischer Systeme in „optische Chips“ mit spezifischer Funktionalität. Eine solche Miniaturisierung, die mit einer vereinfachten Handhabung, einer deutlich erhöhten Stabilität und einer kostengünstigen Herstellung einhergeht, ist unerlässlich, um optische Quantentechnologien für den täglichen Gebrauch geeignet zu machen. 

Wir haben einen „HOM-Chip“ als Beispiel für einen integrierten optischen Schaltkreis für ein typisches Quantenexperiment vorgestellt [5]. Auf dem Chip werden durch einen nichtlinearen Prozess Photonenpaare erzeugt. Diese werden räumlich getrennt und verschiedenen Wellenleitern zugeführt. An die Elektroden des Chips angelegte Spannungssignale bewirken eine Polarisationsumwandlung und ermöglichen gleichzeitig eine zeitliche Verzögerung der Photonen zueinander. Am Ende des Chips werden die beiden Photonen dann in einem (integrierten optischen) Strahlteiler wieder vereinigt. Quanteninterferenz verursacht den sogenannten Hong-Ou-Mandel-Effekt (HOM-Effekt): Wenn die Photonen den Strahlteiler gleichzeitig erreichen und ihre Eigenschaften identisch sind, verlassen sie den Strahlteiler immer als Paar. Dies ist eine grundlegende Quanteneigenschaft des Lichts und dient als Grundlage für viele dann viel komplexere Quantenlogikoperationen, z. B. in zukünftigen Quantencomputern. 

Während der oben beschriebene Schaltkreis noch mit konventionell gefertigtenTitan-eindiffundierten realisiert wurden, arbeiten wir jetzt verstärkt an Schaltkreisen in TFLN. Durch die deutlich stärkere Wellenführung sollten sich noch kompaktere Schaltkreise mit größeren Integrationsdichten realisieren lassen.