Forschung
Das Labor für hybride quantenphotonische Bauelemente (hqpd) an der Universität Paderborn konzentriert seine Forschung auf die Realisierung von Bausteinen für photonische Quantentechnologien. Der Einsatz modernster Nanotechnologien ermöglicht die Herstellung von Bauelementen bis hinunter auf die Nanoskala. Unser hybrider und heterogener Integrationsansatz erlaubt es uns, die besten Eigenschaften verschiedener Materialplattformen zu nutzen. Durch sorgfältiges Design der Strukturen auf unseren photonischen integrierten Schaltkreisen streben wir zum Beispiel die Realisierung idealer Quantenlichtquellen, aktiver Schaltungselemente und Quantenspeicher für Anwendungen in der Quantenkommunikation und im photonischen Quantencomputing an.
Insbesondere die Miniaturisierung von einzelnen Bauelementen und deren Integration auf photonischen Schaltkreisen spielt eine entscheidene Rolle für die Alltagstauglichkeit von photonischen Quantentechnologien. Leider sind verschiedene Bauelemente häufig nicht direkt miteinander kompatibel und lassen sich daher nicht monolithisch auf einen Chip integieren. In unserer Arbeitsgruppe haben wir uns zum Ziel gesetzt neuartige hybride oder heterogene Integrationsmethoden zu entwickeln um verschiedenste Bauteile auf einem Schaltkreis zu kombinieren ohne dabei Performance der Einzelkomponenten einzubüßen. Hierfür verwenden wir moderneste Nanofabrikationsmethoden und komplexe optische und quantenoptische Analysetechniken. Eines der zentralen Bauelemente für unsere hybriden photonischen Schaltkreise sind Einzelphotonenquellen, insbesondere Quantenpunkte. Diese lassen sich in Resonatorstrukturen einbetten und sind zur Zeit die reinste on-demand Einzelphotonenlichtquelle - ein zentrales Bauteil für zukünftige Quantenrepeater welche dringend für die Realisierung von Quantennetzwerken benötigt werden.
Unsere Forschungsaktivitäten lassen sich in drei Hauptsäulen kategorisieren: quantenoptische Experimente, Herstellung von photonischen integrierten Quantenschaltungen und ultraschnelle kryogene Elektronik.
Unsere Forschungsgebiete
Unsere Quantenoptik-Labore sind mit verschiedenen Dauerstrich- und gepulsten Laserquellen, kryogenen photonischen Messplätzen, kryogenen konfokalen Mikroskopen und Einzelphotonendetektoren ausgestattet, um Festkörper-Quantenlichtquellen, Quantenspeicher und quantenphotonische integrierte Schaltungen zu untersuchen. Mehrere fortschrittliche Messaufbauten sind selbst gebaut, wie z. B. Transmissionsspektrometer, phasenstabilisierte Mach-Zehnder-Interferometer und Fabry-Pérot-Interferometer, um modernste quantenoptische Experimente durchzuführen.
Die Forschung unserer Gruppe baut stark auf der Nanofabrikation auf, entweder in unserer eigenen kleinen Fabrikationsanlage im A-Gebäude oder im gemeinsamen Reinraum im P8-Gebäude. Ein Schlüsselfaktor für diese Forschungsaktivitäten ist die numerische Optimierung unserer Bauelemente, für die wir modernste Softwarelösungen einsetzen. Mit Hilfe von Elektronenstrahl- und Laserlithographiesystemen definieren wir unsere Nanostrukturen, wie z.B. photonische Schaltkreise, und nutzen verschiedene Nass- und Trockenätzverfahren zur Herstellung unserer Bauelemente.
Basierend auf der langjährigen Expertise an der Universität Paderborn entwirft unsere Gruppe ultraschnelle kryogene elektronische Schaltungen als On-Chip-Schalter, kohärente Steuerung und Ausleseelektronik. Diese Schaltungen werden zunächst simuliert und entworfen und später in unsere quantenoptischen Experimente integriert und dienen als Baustein unserer quantenphotonischen integrierten Schaltungen. Wir konzentrieren uns auf die kohärente optoelektronische Steuerung von Quantensystemen, das ultrasensitive Auslesen von Photoströmen sowie auf schnelle Feed-Forward-Operationen.