Abstract Nichtlineare Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtquanten, den Photonen, werden zentraler Bestandteil zukünftiger optischer Quantentechnologien sein. Unserer Arbeitsgruppe an der ETH Zürich gelang es kürzlich, ein hochgradig nichtlineares optisches System, bestehend aus einem Quantenpunkt in einem nanophotonischen Resonator, zu realisieren und daran starke Quantenkorrelationen zwischen gestreuten Photonen nachzuweisen. Ein derartiges System könnte als Einzelphotonen‐Transistor in einem optischen Computerchip zum Einsatz kommen.
Abstract Nichtlineare Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtquanten, den Photonen, werden zentraler Bestandteil zukünftiger optischer Quantentechnologien sein. Unserer Arbeitsgruppe an der ETH Zürich gelang es kürzlich, ein hochgradig nichtlineares optisches System, bestehend aus einem Quantenpunkt in einem nanophotonischen Resonator, zu realisieren und daran starke Quantenkorrelationen zwischen gestreuten Photonen nachzuweisen. Ein derartiges System könnte als Einzelphotonen‐Transistor in einem optischen Computerchip zum Einsatz kommen.
Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar.
Nichtklassische Lichtquellen sind wichtige Komponenten für die zukünftige Realisierung von optischen Quantencomputern, Quantenkommunikationsnetzwerken und Anwendungen in der Quantenmetrologie. Besonders hervorzuheben sind Quantenlichtquellen auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten zur Erzeugung von einzelnen ununterscheidbaren Photonen, Zwillingsphotonen-Zuständen oder polarisationsverschränkten Photonenpaaren. Zusätzlich erlaubt die fortgeschrittene Halbleitertechnologie die deterministische Integration einzelner Quantenpunkte in photonische Strukturen. In ähnlicher Weise sind quantenpunktbasierte Mikrosäulenlaser sowohl für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Quantenelektrodynamik in Resonatoren als auch für zukünftige Anwendungen in der Datenübertragung aufgrund ihrer mikroskopischen Abmessungen, ihrer hohen Modulationsbandbreite und ihres geringen Energieverbrauchs von großem Interesse. Die Charakterisierung von Quantenemitter hinsichtlich ihrer Photonenstatistik wird in der Quantenoptik typischerweise durch die Messung der normalisierten Photonen-Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung g(2)(Ƭ) bestimmt, jedoch nur der vollständige Zugang zur Photonenzahlverteilung ermöglicht einen tieferen Einblick in die physikalischen Prozesse der Lichtentstehung. Vor diesem Hintergrund werden in der vor liegenden Arbeit erstmalig photonenzahlauflösende Detektoren zur Charakterisierung von quantenpunktbasierten nanophotonischen Strukturen verwendet. Die Detektoren sind supraleitende Übergangskantensensoren, die wiederum von supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren ausgelesen werden. Zum Betrieb der Detektoren wird eigens ein adiabatischer Entmagnetisierungskryostat aufgebaut, um die Detektormodule auf eine Temperatur von 6 100mK zu kühlen. Die einzelnen Detektorkanäle besitzen eine Detektionseffizenz von > 87%. In einem nächsten Schritt wird das aufgebaute photonenzahlauflösende Detektorsystem zur Charakterisierung eines quantenpunktbasierten Mikrosäulenlasers eingesetzt. Zwei Detektorkanäle detektieren gleichzeitig die Lichtemission von zwei orthogonalen Komponenten der fundamentalen Emissionsmode eines bimodalen Mikrosäulenlasers. Das angewandte experimentelle Schema bietet dabei einen beispiellosen Zugang zur gemeinsamen Photonenzahlverteilung und ermöglicht einen tiefen Einblick in die Dynamik und Photonenstatistik der Modenkomponenten, die durch das gemeinsame Verstärkungsmedium gekoppelten sind. Insbesondere decken dabei die photonenzahlauflösenden Messungen eine optische Bistabilität der gegensätzlich korrelierten Modenkomponenten auf, die sich in einem zeitlichen Schalten zwischen kohärenter und thermischer Lichtemission äußert. Des Weiteren wird mit dem photonenzahlauflösenden Detektorsystem die direkte Messung von Zweiphotonen-Zuständen einer energetisch entarteten Quantenpunkt-Biexztion-Exziton-Kaskade möglich. Das Experiment motiviert dazu, diese spezielle Konfiguration der Biexziton-Exziton-Kaskade durch einen Abstimmmechanismus zur realisieren. Die gewählte Methode ist dabei die Veränderung der elektronischen Bandstruktur durch einen mechanischen Spannungsübertag auf das Quantenpunkt-Halbleitermaterial. Mit diesem Verfahren ist es ebenfalls möglich, die Bindungsenergie und die Feinstrukturaufspaltung nahezu aufzuheben, was zur Erzeugung verschränkter Photonen unabdingbar ist. In einem finalen Schritt werden Quantenpunkte in Mikrolinsen integriert, um die Photonenauskoppeleffizienz zu erhöhen. In Kombination mit der Methode des mechanischen Spannungsübertrags ermöglicht es die Herstellung einer spektral abstimmbaren, hocheffizienten Einzelphotonenquelle. Um die zukünftige Anwendung dieser Technologie beispielsweise zur Verschränkungsvertauschung in einem Quantenrepeaternetzwerk zu demonstrierten, wird die Möglichkeit aufgezeigt, die Emissionslinien verschiedener Quantenpunkte so zu verstimmten, dass sie sich in Resonanz zueinander befinden. Eine zusätzliche Implementierung eines elektro-optischen Regelmechanismus stabilisiert dabei die Emissionsenergie im Bereich der homogenen Linienbreite der Emitter.
Die nachste grose technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermoglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt vollig offenlasst. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Koharenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und uber grose Distanzen hinweg ubertragen zu konnen. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das groste Hindernis fur photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen konnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitaten auf Einzelphotonenniveau uberwunden werden.
In dieser Dissertation beschaftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearitat von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflachenplasmonen in Graphen-Nanobandern. Durch die starke Nichtlinearitat dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen starker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustande des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter konnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% naher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermoglichen wurde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benotigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearitat dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearitat noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusatzlich experimentelle Beweise fur die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermoglichen wurde.
Zusatzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information tragt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationstrager in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgefuhrt, deren Stabilitat und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Uberbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermoglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenubertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.
Die Erzeugung korrelierter Photonen ist eine besondere Herausforderung der modernen Quantenoptik, da Photonen intrinsisch nicht miteinander wechselwirken. Die Wechselwirkungen zwischen unkorrelierten Photonen, verbunden mit dem Ziel komplexe Vielteilchenzustände von Photonen zu erzeugen, wird daher seit Langem angestrebt. Typischerweise erfordern solche Wechselwirkungen eine hohe Nichtlinearität, die durch stark an eine optische Mode gekoppelte Quantenemitter realisiert werden kann. Solche Ansätze werden jedoch oft durch unvermeidliche Dissipation in Form von Photonenverlust erheblich beeinträchtigt, was zu einer Reduktion der Korrelationen führt. In dieser Arbeit demonstriere ich einen experimentellen Ansatz, bei dem wir ein stark dissipatives Medium verwenden, welches schwach an ein Lichtfeld gekoppelt ist, um stark korrelierte Lichtzustände zu erzeugen. Das Herz unseres Systems ist eine optische Nanofaser, deren Durchmesser kleiner ist als die Lichtwellenlänge. An dieser Nanofaser fangen wir neutrale Cäsiumatome in zwei 1-dimensionalen Gittern, die durch eine optische Zweifarben-Dipolfalle erzeugt werden. Die nicht miteinander wechselwirkenden gefangenen Atome koppeln schwach an die in der Nanofaser geführte Mode. Jedes Atom kann einen kleinen Bruchteil des Lichts aus der Faser heraus streuen, was den dissipativen Teil der Atom-Licht-Wechselwirkung darstellt. Dadurch wird die Anzahl unkorrelierter Photonen reduziert. Die Tatsache, dass ein Atom immer nur ein Photon zur gleichen Zeit absorbieren kann, erzeugt jedoch Korrelationen zwischen Photonen, die zur gleichen Zeit am Atom ankommen. Die gestreuten Photonen sind spektral verstimmt und werden daher weniger absorbiert. Die große Anzahl von Atomen im System verstärkt die dissipativen und nichtlinearen Effekte, was zu stark korrelierten Photonen am Ausgang der Nanofaser führt.Wir messen die im transmittierten Lichtfeld induzierten Korrelationen zweiter Ordnung mit Hilfe eines Hanbury-Brown-Twiss-Aufbaus. Dafür senden wir ein schwaches resonantes Lichtfeld durch die Nanofaser, wo es mit einem Ensemble schwach-gekoppelter Atome wechselwirkt. Wir beobachten, dass wir durch Änderung der Anzahl der Atome im Ensemble die Wechselwirkung zwischen den Photonen von “nicht-wechselwirkend“ über “abstoßend“ bis “attraktiv“ einstellen können, was sich in den Messdaten durch den Übergang von “no bunching“ zu “antibunching“ zu “bunching“ äußert. Diese Realisierung einer kollektiv erhöhten Nichtlinearität eröffnet neue Wege zur Erzeugung nicht-klassischer Lichtzustände.