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Neuartiger Schaltkreis für die Quantenphotonik entwickelt

Publikation in Science Advances über einen photonischen Chip zur Demonstration von Quanteninterferenzen.

Physikern der Universität Paderborn ist es erstmals gelungen Schlüsselbausteine der Quanten­photonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren und damit das vollständige Hong-Ou-Mandel-Experiment, d.h. die Bündelung zweier einzelner Photonen, auf einem einzigen Chip zu demonstrieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger Quantentechnologien, die z.B. zur Synchronisation in der Quantenkommunikation, zum Aufbau von Quantensimulatoren oder für quantenbasierte Hochpräzisionsmessungen benötigt werden. Für die Realisierung des neuen Experiments ist das Team um die Leibniz-Preisträgerin Prof. Dr. Christine Silberhorn verantwortlich. Die theoretische Simulation wurde von den Gruppen von Prof. Polina R. Sharapova und Prof. Torsten Meier unterstützt. Die Ergebnisse wurden am 2. Januar in der wissenschaftlichen Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard um die benötigten hohen Datentransferraten zu erzielen. Kurze Lichtpulse sind dabei die Informationsträger.  Solch ein Lichtpuls besteht aus einer großen Anzahl von Photonen, der kleinsten Lichteinheit. Unter Verwendung von nur wenigen Photonen oder sogar einzelner Photonen offenbaren sich jedoch faszinierende Effekte, die durch den  Quantencharakter der Photonen  entstehen.  Daraus ergeben sich perspektivisch neue Anwendungen z.B. für absolut abhörsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer.

Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Richtung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, können sie sich entweder zusammenschließen, um dieselbe Richtung zu wählen, oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren. Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt wird.

Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien konnte in der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Silberhorn  demonstriert werden, dass die Implementierung eines solchen quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip möglich ist.  Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches Netzwerk in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden und programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten Strahlteiler.   Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die es ermöglichen, eine Zeitverzögerung zwischen den Photonen einzustellen. Prof. Silberhorn äußerte sich zu den Auswirkungen der vorliegenden Arbeit: "Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in einen einzigen Chip ist ein großer Schritt zur Miniaturisierung.  Er ebnet   den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien. ".

Diese Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231447078 - TRR 142 im Rahmen des Projekts C02 "Monolithische Integration einer parametrischen Photonenpaar-Quelle und eines Zwei-Photonen-Interferometers" gefördert.

Link zur Veröffentlichung: http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat1451
DOI: 10.1126/sciadv.aat1451

Ansprechpartner

Christine Silberhorn

Prof. Dr. Christine Silberhorn

Integrierte Quantenoptik

Lehrstuhlinhaberin

Zur Person
Leitung

Prof. Dr. Dirk Reuter

Optoelektronische Materialien und Bauelemente

Dirk Reuter
Telefon:
+49 5251 60-5842
Büro:
P8.2.12

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