Erzeugung von schmalbandigen Multiphotonen für Quanteninformation Anwendungen

DasAusnützen vonquantenphysikalischenPhänomenen ermöglichtneuartige Quantentechnologien, die zu signifikanten Verbesserungen in vielen Bereichen der Informationsverarbeitung verhelfen. Quantensysteme, die aus einzelnen Lichtteilchen oder Photonen bestehen, haben den Vorteil robust aber auch mobil zu sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes soll eine neuartige Photonenquelle entwickelt werden, die mehrere sehr schmalbandige Photonen emittieren kann. Solche Photonen erlauben das Frequenzspektrum und damit die dazugehörige Kohärenzlänge, also jene Länge der Photonen über dessen Bereich sie interferieren können, als Besonderheit für komplexe Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung auszunutzen. Mithilfe dieses Forschungsprojektes sollen Vielphotonen-Zustände erzeugt werden, bei denen jedes einzelne Photon eine Kohärenzlänge von mehreren Metern hat. Diese erstmals für Vielphotonen-Zustände erzeugte Eigenschaft wird genutzt für die Demonstration von speziellen Quantencomputer-Konzepten, die auf der Interferenz von mehreren Photonen in komplexen interferometrischen Netzwerken beruht. Zusätzlich wird aufgrund dieser Eigenschaft der Photonen eine Demonstration eines so genanntes loophole-free Quantencomputers, der auf der Überlagerung der Reihenfolge von Quantengattern beruht, gemacht. Diese Demonstrationen liefern nicht nur neue Einsichten in verschiedene Architekturen von Quantencomputern, sondern zeigen auch neue und machbare Anwendungen, die sich schmalbandigePhotonen zuNutze machen,in der Informationsverarbeitung auf. Zusätzlich macht die schmale Linienbreite der erzeugten Vielphotonen-Zustände diese ideal verwendbar für ein resonantes Koppeln zu atomaren Übergängen. Daher wird die Photonenquelle kompakt und somit portable gebaut, um für Untersuchungen bei anderen Experimenten einsetzbar zu sein. In Kollaboration mit Prof. Arno Rauschenbeutel (TU WIEN) soll diese Photonenquelle zu einem späteren Zeitpunkt eingesetzt werden, um Photon- Photon Quantencomputergatter, die Atome als Medium benutzen, zu charakterisieren.

Das Projekt "Erzeugung von schmalbändigen Multiphotonen für Quanteninformationsanwendungen" hat einen wesentlichen Beitrag zu der Entwicklung von Photonenquellen für spezielle Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und Quantencomputer geleistet. Der Hauptfokus dieses Projektes lag in der Erzeugung von einzelnen Photonen, die maßgeschneidert sind, um mit Atomen effektiv koppeln zu können. Solche Kopplungen sind von hohem Interesse für zukünftige optische Quantencomputer, da die Atome als Medium genutzt werden können, um effiziente Photon-Photon Quantencomputergatter zu ermöglichen. Daher wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eine kompakte und portable Photonenquelle gebaut, die es erlaubt, zu anderen experimentellen Versuchen gebracht und eingesetzt zu werden. Das entwickelte Design dieser Photonenquelle zeigte eine Reihe von Vorteilen gegenüber existierender Konzepte, und wurde daher erfolgreich patentiert. Leider kamen aufgrund der durch COVID-19 aufgetretenen Reisebeschränkungen, die geplanten wissenschaftlichen Kollaborationen bis Abschluss dieses Projektes noch nicht zustande. Die gewonnene Erfahrung an der Quantenkontrolle von Photonenquellen, die auf spontanen parametrischen Fluoreszenen beruhen, war auch von direktem Nutzen für andere Experimente, sodass dieses Projekt zu insgesamt sechs begutachteten Publikationen beigetragen hat. Von besonderer internationaler Bedeutung war die Demonstration einer kontrafaktischen Kommunikation, die sich eines einstellbaren nanophotonischen Prozessors bedient hat. Zusätzlich hat dieses FWF-Projekt auch die Entwicklung und Demonstration eines integrierten rein optischen Photon-Photon Quantencomputergatters unterstützt. Bezüglich der Quantenkommunikation konnte dieses Projekt auch die Demonstration einer 2-Wege-Kommunikation unterstützen, obgleich nur ein Lichtteilchen verwendet worden ist. Die Resultate dieses Projektes haben maßgeblich zu neuen Anwendungen von maßgeschneiderten Photonen geführt, und somit zur Weiterentwicklung von optischer Quantentechnologie.