Zusammenfassung Kristallographische Defekte in Diamant wie das Stickstoff‐Fehlstellenzentrum und die Gruppe‐IV‐Defekte bilden stabile und kontrollierbare Elektronen‐Spin‐Quantensysteme. Gruppe‐IV‐Defekte sind hierbei durch ihre Inversionssymmetrie besonders stabile Kandidaten für die Integration in nanophotonische Strukturen. Eine Reihe vielversprechender diamantbasierter Lichtwellenleiterstrukturen und ihre Funktionsweisen werden in diesem Artikel vorgestellt. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Plattform in der Quantentechnologie reichen vom Quantenrechnen und von der Quantenkommunikation bis hin zur Quantensensorik.
Zusammenfassung Kristallographische Defekte in Diamant wie das Stickstoff‐Fehlstellenzentrum und die Gruppe‐IV‐Defekte bilden stabile und kontrollierbare Elektronen‐Spin‐Quantensysteme. Gruppe‐IV‐Defekte sind hierbei durch ihre Inversionssymmetrie besonders stabile Kandidaten für die Integration in nanophotonische Strukturen. Eine Reihe vielversprechender diamantbasierter Lichtwellenleiterstrukturen und ihre Funktionsweisen werden in diesem Artikel vorgestellt. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Plattform in der Quantentechnologie reichen vom Quantenrechnen und von der Quantenkommunikation bis hin zur Quantensensorik.
Abstract Optisch aktive Defekte in Diamant, sogenannte Farbzentren, sind attraktive Kandidaten für die Realisierung von Konzepten der Quanteninformation. Die kontrollierte Wechselwirkung solcher Farbzentren mit Lichtfeldern kann durch die Ankopplung an optische Resonatoren erleichtert werden. Unserer Gruppe an der Universität des Saarlandes ist es nun in einer Kooperation mit den Universitäten Augsburg, Kaiserslautern und Freiburg gelungen, optische Resonatoren im Nano‐ und Mikrometermaßstab direkt in einkristallinem Diamant herzustellen und die Kopplung von Farbzentren zu demonstrieren.
Zusammenfassung Photonen gehören zu den vielversprechenden Quantensystemen, die einen universellen Quantencomputer ermöglichen. Ihre besonderen Eigenschaften, wie Mobilität und der bosonische Charakter, erlauben leistungsstarke Quantenprozessoren für spezielle Anwendungen. Als prominentes Beispiel gilt das Bosonensampeln, mit dem die Quantenüberlegenheit eines Quantencomputers demonstriert wurde. Größte Herausforderungen für die Entwicklung universell anwendbarer photonischer Quantencomputer sind eine effiziente Erzeugung von Einzelphotonen sowie ein stabiles, verlustarmes Prozessieren von Multiphotonen‐Zuständen. Zur Skalierbarkeit photonischer Quantencomputer trägt der rasante Fortschritt bei integrierten optischen Bauteilen bei. Das ermöglicht eine komplette Verarbeitung von Quanteninformation auf einem nanophotonischen Prozessor. Es gibt bereits vielseitige Demonstrationen von möglichen Anwendungen solcher Prozessoren in optischen Quantencomputern. Sie reichen vom maschinellen Lernen bis zur sicheren Datenverarbeitung in Computernetzwerken.
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.
Lasergekühlte und optisch gespeicherte neutrale Alkaliatome stellen ein wohlbeschriebenes und weitgehend von der Umgebung separierbares Quantensystem dar. Ihre internen und externen Freiheitsgrade können experimentell umfassend und in kohärenter Weise durch externe Felder kontrolliert werden. Auch die Wechselwirkung zwischen Atomen kann durch die lasergestützte Anregung in Rydberg-Zustände auf einer interatomaren Längenskala von Mikrometern zwischen der vernachlässigbaren gegenseitigen Beeinflussung im Grundzustand und starker Dipol-Dipol-Kopplung zuverlässig geschaltet werden. Die langlebigen Zustände der Grundzustands-Hyperfeinstruktur bieten die Möglichkeit der Präparation von Quasi-Spin-1/2-Systemen, deren Quantenzustand zur Kodierung von Information genutzt werden kann. Insbesondere die Zustände ohne linearen Zeeman-Effekt bilden eine robuste Qubit-Basis. Einzelne Alkaliatome stellen somit ein ausgezeichnetes System zur physikalischen Realisierung der Quanteninformationsverarbeitung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer skalierbaren Architektur zur registerbasierten Quanteninformationsverarbeitung mit einzelnen Rb85-Atomen. Die zugrunde liegende zweidimensional-periodische Geometrie von Speicherstellen wird aus mikrooptisch erzeugten Dipolfallenregistern gewonnen, wobei in den gezeigten Messreihen typischerweise 25 bis 150 Fallen zum Einsatz kommen. Die Skalierbarkeit der Registergröße wird durch Einsatz von Mikrooptiken mit mehr als 104 Linsen sichergestellt. In dieser Arbeit konnten wesentliche Fortschritte in der parallelisierten Präparation und ortsaufgelösten Detektion von Einzelatomen in Dipolfallenregistern erreicht werden. So gelang die Implementierung von Quantenregistern mit einer Einzelatom- räparationseffizienz größer 50% an 116 Registerpositionen und im Mittel 75 bereitgestellten Einzelatomen. Die Wahrscheinlichkeit, in einer beliebigen Realisierung mindestens 60 Einzelatome zu erhalten betrug 99%. Als Folge der zur Präparation genutzten lichtinduzierten Stoßverluste konnten in diesen Fallen mit starker Fokussierung (w0 = 1,5µm) Ereignisse mit mehr als einem Atom an der gleichen Registerposition aufgrund der auftretenden Kollisionsblockade verhindert werden. Der Präparationsprozess wurde in optimierten Potentialen (w0 = 3,6µm) detailliert studiert. In Fallen der Tiefe U_0 = kB·0,5 mK wurden Verlustraten von 1,7·10^-9 cm^3 s^-1 für Einkörperverluste und 2,3·10^-9 cm^3 s^-1 für Zweikörperverluste bestimmt. Mit Hilfe erweiterter Techniken in der Fluoreszenzdetektion war erstmals der Mehrfachnachweis individueller Atome des Quantenregisters möglich. In einer Messreihe mit 27 Belichtungszyklen pro Experimentzyklus wurden keine signifikanten zusätzlichen Verluste beobachtet. Dies bildet die Grundlage für weiterführende Experimente mit Auflösung der Zeitentwicklung einzelner Quantensysteme. Insbesondere kann die Position bereitgestellter Einzelatome vor, und deren Zustand im Anschluss der Ausführung von Quantenoperationen detektiert werden. Erstmals wurde in dieser Arbeit die parallelisierte kohärente Manipulation des Zustandes von Einzelatom-Qubits des Quantenregisters demonstriert. Die Rabifrequenz der Kopplung durch einen optischen Zwei-Photonen-Prozess wurde zu 2 Pi·100 kHz bestimmt. Die durch kohärente Spektroskopie von Superpositionszuständen ermittelte Kohärenzzeit liegt mit T_Echo = 76,7ms vier Größenordnungen über der Zeitdauer einzelner Quantenoperationen. In den Messreihen dieser Arbeit konnte die fundamentale Periode der Quantenregister von 55,5µm auf 9,8µm reduziert werden. Darüber hinaus erlaubte die Nutzung von Potentialstrukturen der Talbotebenen des eingesetzten Mikrolinsenregisters die Implementierung von Fallengeometrien aus zwei überlagerten, ineinander verschachtelten Einzelregistern mit frei wählbarem Abstand benachbarter Fallen. Somit konnten wesentliche Voraussetzungen für die Realisierung von Zwei-Qubit-Operationen geschaffen werden. Die hierfür nötige selektive Laser-Adressierung von Qubits wurde für Fallenabstände von 13,3µm und 6,7µm demonstriert.
Zusammenfassung Quantensimulatoren versprechen die kontrollierte Untersuchung komplexer Fragestellungen auf verschiedenen Gebieten der Physik. Eine vielversprechende Forschungsrichtung ist dabei die Quantensimulation von Eichtheorien, die etwa die Grundkräfte der Natur im Standardmodell der Teilchenphysik verkörpern. Hierbei werden die quantenmechanischen Felder mithilfe kontrollierter Quantensysteme im Labor gezielt nachgestellt. Dieser Artikel stellt die analoge Quantensimulation von Eichtheorien anhand des Beispiels einer vereinfachten, eindimensionalen Form der Quantenelektrodynamik vor. Wir beschreiben die Implementierung von elektrischen Feldern und Ladungen mithilfe ultrakalter Atome in optischen Gittern und diskutieren Fragen der Zeitentwicklung und Thermalisierung des Quantenvielteilchensystems. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die Implementierung der Eichinvarianz – die definierende Eigenschaft der Eichtheorien, welche zentral für deren besondere Eigenschaften ist. In Zukunft könnten Eichtheorie‐Quantensimulatoren es uns ermöglichen, eine Reihe bisher unbeobachteter – und theoretisch ungelöster – Phänomene zu untersuchen. Ein Beispiel ist die volle quantenmechanische Dynamik des Schwinger‐Effekts, der bei extrem hohen elektrischen Feldstärken die Paarerzeugung von Elektronen und Positronen vorhersagt.
Zusammenfassung Halbleiter‐Spinqubits gelten als vielversprechende Kandidaten für die Recheneinheit eines Quantencomputers. Um ein Spinqubit zu realisieren, wird ein einzelner Ladungsträger, ein Elektron oder ein Ladungsträgerloch, in einem Quantenpunkt eingefangen. Dort sind ihre Spins über lokal erzeugte Magnetfelder zwischen zwei Zuständen 0 und 1 kontrollierbar. Auf Basis solcher Quantenpunkte gestatten die etablierten Fabrikationstechniken der Halbleiterindustrie eine präzise und skalierbare Herstellung von Quantenprozessoren. Sowohl Ein‐Qubit‐Gatter als auch Zwei‐Qubit‐Gatter mit Spinqubits operieren mit hoher Genauigkeit und ermöglichen so universelles Quantenrechnen. Wichtig sind dabei ihre hohen Lebensdauern im Bereich von Mikrosekunden bis sogar Sekunden. Die Anzahl an Spinqubits auf einem Chip ist besonders in den letzten Jahren gewachsen. Die Möglichkeit, Spinqubits auf verschiedene Weisen miteinander zu koppeln, erlaubt auch langreichweitige Operationen zwischen verschiedenen Registern. Es gilt, Korrelationseffekte zwischen Spinqubits und ihrer Umgebung noch besser zu verstehen und die Verdrahtung auf dem Chip zu optimieren, um so den Weg zu einem halbleiterbasierten Quantencomputer zu ebnen.