Forschung und Einrichtungen
Die MQO-Gruppe untersucht grundlegende Physik und entwickelt Quantenanwendungen mit Quantenzuständen von Licht in der mesoskopischen Größenordnung, welches von Basistechnologie untermauert wird. Mesoskopische, quantenoptische Zustände bestehen aus mehreren 10, 100 und 1000 nichtklassisch verteilten Photonen. Aus einer grundsätzlichen Perspektive gesehen können diese genutzt werden um Quantenphysik bei Energieskalen zu erkunden, die auch für das nackte Auge zu sehen sind und dadurch Teil der hoch kontraintuitiven Phänomene der Quantenmechanik auf einen menschlichen Maßstab bringen. Zusätzlich dazu ist dieser Maßstab ausschlaggebend für eine Demonstration einer echten Quantenverbesserung gegenüber klassischen Systemen in vielen Bereichen, darunter Messtechnik, Berechnung und Kommunikation.
In diesem Kontext kann die Forschung der MQO-Gruppe in drei Teilbereiche aufgeteilt werden: Entwicklung der Basistechnologie für mesoskopische Quantenoptik, grundlegende Physik mit mesoskopischen Quantenzuständen und Anwendungen der mesoskopischen Quantenoptik.
Unsere Forschungsgebiete
Mit steigender Anzahl der Photonen in quantenoptischen Systemen, müssen geeignete Detektoren hergestellt und charakterisiert werden, um diese Systeme messen zu können. Wir entwickeln integrierte Detektorlösungen, die auf in-line Arrays supraleitender Detektoren, sowie anderen Detektor-Multiplexing-Strategien basieren, um helle photonische Zustände zu messen. Darüber hinaus entwickeln wir Werkzeuge, mit denen die Outputs des Detektors so charakterisiert werden, dass die quantenoptischen Eigenschaften des detektierten Lichts sichtbar werden.
Beim Kombinieren von integrierter nichtlinearer Optik mit supraleitenden Komponenten müssen die Bauelemente bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden. Wir untersuchen, wie sich die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verhalten, und entwickeln funktionelle Komponenten, die bei diesen harten Bedingungen zuverlässig funktionieren. Dazu gehört unter anderem die effiziente, kälteverträgliche Kopplung von Bauelement und Lichtwellenleiter.
Wir kombinieren unser Wissen über die Entwicklung von Detektoren und nichtlinearer Tieftemperaturoptik, um funktionelle optische Komponenten herzustellen. Diese lassen sich ideal in der Quantenkommunikation für z.B. Photononenerzeugung, -manipulation und -messung einsetzen.
Viele Experimente in unserer Arbeitsgruppe benötigen die Messung einzelner Photonen, den Quantenteilchen des Lichts. In den letzten Jahrzehnten eröffnete eine neue Art der Einzelphotonendetektoren, welche auf dem Zusammenbruch des supraleitenden Zustands in einem Material basieren, neue Möglichkeiten für spannende Quantenexperimente durch ihre hohe Effizienz und geringen Dunkelzählraten. In unserem closed-cycle Helium-Kühlschrank von Photonspot können wir diese Detektoren bei einer Temperatur unterhalb von einem Kelvin betreiben. Des Weiteren können wir den Kryostaten nutzen, um neue Detektoren und integrierte photonische Schaltkreise zu untersuchen.
Um optische on-chip Bauelemente mit dem Detektor zu integrieren, sind wir daran interessiert eine Vielzahl von optischen Bauteilen, die bei Tieftemperaturen arbeiten, zu realisieren. Die Bauelemente werden auf Lithiumniobat gefertigt und ihre Funktionen reichen von Frequenzdopplern zu direktionalen Kopplern zum aktivieren von Baulteilen wie elektrooptische Phaserverschieber. Ein weiterer closed-clycle Kryostat erlaubt uns diese Bauteile bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 4 Kelvin zu testen. Das Licht kann freiraum über Linsen eingekoppelt werden, was uns ermöglicht, mehrere Bauelemente auf einem Chip zu testen. Im Vergleich zu dem Photonspot-Kryostaten kann dieser Kryostat keine Temperaturen unter einem Kelvin erreichen, um supraleitende Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs) zu betreiben. Dieser Kryostat von Attocube erlaubt uns die Hauptoptimierungen unserer optischen Bauelemente für den Betrieb bei kryogenischen Temperaturen zu tätigen. Danach integrieren wir die aktiven und passiven Bauelemente mit den SNSPDs.
Um integrierte Quantenschaltungen zu realisieren, muss eine Vielzahl von passiven und aktiven Komponenten entwickelt und hergestellt werden. Die Strukturierung dieser Komponenten wird mit unserer Laserlithografie ermöglicht. Dafür wird ein UV empfindlicher Fotolack verwendet und mit Hilfe eines 375 nm Lasers strukturiert. Die Anwendung eins direkten Schreibverfahrens mit Strukturgrößen bis zu 300 nm öffnet ein breites Fenster an Möglichkeiten.
