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Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

Foto: Foto (Matthias Groppe): Holographie-Apparatur von Herrn Dr. Andreas Redler

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Eiskalt und miteinander kompatibel: Studie zur Kombination unterschiedlicher Quantentechnologien

Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn veröffentlichen Ergebnisse in „Optica“

Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn haben gezeigt, dass die sogenannte spontane parametrische Fluoreszenz – ein Phänomen aus dem Bereich der Quantenphotonik – kompatibel mit kryogenen, also extrem kalten Betriebsbedingungen ist, die für supraleitende Detektoren erforderlich sind. Die Erkenntnis ist u. a. für Anwendungen der Quantenoptik in Integrationsplattformen, z. B. für Chips, die in der Kommunikation zum Einsatz kommen, wichtig. Ihre Ergebnisse haben die Physiker*innen nun in dem Fachjournal „Optica“ veröffentlicht.

Die skalierbare Quantenphotonik beruht auf der Kopplung von verschiedenen lichtbasierten Komponenten und Technologien unter miteinander kompatiblen Betriebsbedingungen. Einer dieser Prozesse ist die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) in nichtlinearen Wellenleitern. Dabei handelt es sich um eine Standardtechnologie zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare, gequetschter Zustände und angekündigter Photonen – kleine Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht.

Das Team um Jun.-Prof. Dr. Tim Bartley und Nina Amelie Lange vom Department Physik hat untersucht, wie ein kryogener Betrieb den SPDC-Prozess beeinflusst. Der Nachweis der gegenseitigen Kompatibilität ist entscheidend für die Verbreitung von Quantentechnologien. Die Wissenschaftler*innen haben gezeigt, dass die spontane parametrische Fluoreszenz in nichtlinearen Wellenleitern mit den Betriebstemperaturen vereinbar ist, die für hocheffiziente supraleitende Detektoren erforderlich sind. Supraleitung bedeutet, dass bei sehr tiefen Temperaturen der elektrische Widerstand aufgehoben wird. Damit kann elektrischer Strom fließen, ohne dass Wärme entsteht.

„Dieses Experiment ist die bisher kälteste Umsetzung von spontaner parametrischer Fluoreszenz. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Kryogenik hauptsächlich die (spektralen) Moden der SPDC-Photonen beeinflusst, und nicht die Quantenzustände selbst. Es ist bemerkenswert, dass, obwohl wir die Temperatur um zwei Größenordnungen ändern, keine deutlichen Veränderungen im SPDC-Prozess auftreten und unsere Photonenquelle somit voll funktionsfähig bleibt“, erklärt Lange.

Während nichtlineare Optik, insbesondere Frequenzumwandlung und elektrooptische Manipulation, für den Betrieb unter Umgebungsbedingungen optimiert ist, erfordern viele quantenphotonische Technologien, darunter supraleitende Einzelphotonendetektoren, Kryogenik. Um eine gegenseitige Integration dieser Komponenten in einem einzelnen Chip zu ermöglichen, müssen die bestehenden Techniken und Technologien so angepasst werden, dass sie in der gleichen Umgebung funktionieren. Mit den gewonnenen Erkenntnissen könnten verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Quantenphysik weiter vorangetrieben werden.

Zum Paper: https://doi.org/10.1364/OPTICA.445576

Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing 

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J.-Prof. Dr. Tim Bartley

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Nina Amelie Lange

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