Ultra-Kurzpuls-Lasersystem mit frequenz-durchstimmbarem optischem parametrischem Oszillator
Overview
Das Forschungsgebiet des Lehrstuhls Angewandte Optik / Integrierte Quantenoptik liegt in dem Be-reich der Erforschung von Quanten-Ultra-Kurzzeitlaserpulsen, sowie deren Anwendungen im Bereich optisch basierter Quanten-Technologien, insbesondere für die Quantenkommunikation und Quanten-Informationsverarbeitung. Als Ausgangs-Quelle zur Erzeugung der geeigneten Quantenzustände wer-den hochreine bandbreitenbegrenzte Femto-Sekundenpulse benötigt, die über Frequenzkonversionen in Quantenlicht-Zustände mit speziellen Quanteneigenschaften umgewandelt werden. Dabei werden über einen parametrischen Frequenzmischungsprozess beispielsweise Lichtzustände mit genau defi-nierter Photonenzahl oder reduziertem Amplituden- oder Phasenrauschen generiert. Die erzeugten Signal-Zustände sollen im Telekommunikationswellenlängenbereich liegen, da dies für Anwendungen zur Signalübertragung über optische Fasern optimal angepasst ist und zudem viele integrierte Optik-Bauelemente des Lehrstuhls nur für diesen Bereich ausgelegt sind. Daher wird in den Experimenten insbesondere Laserausgangslicht in diesem Wellenlängenbereich benötigt; die Durchstimmbarkeit ist essentiell um Phasenanpassungsbedingungen flexibel erreichen zu können.
DFG-Verfahren Forschungsgroßgeräte
Gerätegruppe 5700 Festkörper-Laser
Antragstellende Institution Universität Paderborn
Leiterin Professorin Dr. Christine Silberhorn
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Results
Durch das Ultra-Kurzpuls-Lasersystem mit frequenz-durchstimmbarem optischem parametrischem Oszillator konnten im Wesentlichen zwei Forschungsrichtungen in der Arbeitsgruppe Integrierte Quantenoptik erheblich ausgebaut werden. Diese betreffen zum einen Ultrakurzpuls-Quantensysteme, zum anderen Vielphotonen-Zustände und Quanten-Zustandscharakterisierung mit photonenzahlauflösender Detektion. Ultrakurzpuls-Quantensysteme. Durch ein spezielles Design der dispersiven Eigenschaften von nichtlinearen Wellenleitern können Ultrakurzpuls-Photonenzustände mit hoher Reinheit und einer außergewöhnlichen Effizienz über parametrische Zwei-Photonenfluoreszenzprozesse erzeugt werden. Maßgeschneiderte Konversionsprozesse erlauben vielfältige Möglichkeiten zur Selektion, Pulsformung und Verschaltung von Quantenlichtpulsen in komplexen Zeit-Modenstrukturen. Durch ein systematisches „Engineering“ integrierter Quantenlicht-Quellen ist es in der Arbeitsgruppe gelungen, außerordentlich effiziente Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Quelle für hoch reine gepulste Ein- und Mehr-Photonen-Zustände zu entwickeln. Zur Implementierung dieser Quellen ist das beschaffte Lasersystem essentiell, da dieses zum Pumpen der eingesetzten nicht-linearen Prozesse benötigt wird. Hier sind insbesondere die Durchstimmbarkeit des Lasersystems und die hohe Reinheit der klassischen Laserpulse entscheidend. Im Gegensatz zu gepulstem klassischem Licht kann gepulstes Quantenlicht neben den üblichen zeitlichspektralen Eigenschaften eine komplexe Zeit-Modenstruktur besitzen, die durch die Korrelation zwischen den Photonenpaaren definiert wird. Diese lässt sich für eine energie-effizientere und sichere Informationsübertragung sowie für neuartige Protokollen zur Quanteninformationsverarbeitung nutzen, die eine höher dimensionale Kodierung benutzen. Bis vor kurzem hat für solche Systeme ein wichtiger Baustein, nämlich die Adressierung einzelner Zeit-Moden, gefehlt. Basierend auf einem früheren Vorschlag in der Arbeitsgruppe konnte nun mittels des Lasersystems tatsächlich erstmals experimentell gezeigt werden, dass eine maßgeschneiderte Summenfrequenzerzeugung tatsächlich die benötigten Eigenschaften erfüllt. Die Arbeiten sind grundlegend für die folgenden Projekte, für die bereits erfolgreich Drittmittel eingeworben werden konnten. Vielphotonen-Zustände und Zustandscharakterisierung mit photonenzahlaufgelöster Detektion. Die Entwicklung hoch-effizienter Detektoren zum Zählen der Protonenzahlen von Quantenlicht ermöglicht eine Reihe neuartiger Experimente, die die Ambivalenz von wellen- und teilchenartigen Eigenschaften des Lichtes weiter beleuchten. In der Arbeitsgruppe werden photonenzahlaufgelöste Messungen genutzt, um hochgradig nicht-klassische Eigenschaften korrelierter Viel-Photonen-Zustände über Photonenzählexperimente zu demonstrieren. Zur Präparation der Viel-Teilchen-Zustände sind die bereits erwähnten neuen Quantenlicht-Quellen, die nur über das spezielle „Engineering“ und geeignete Pumplaser realisiert werden können, eine Grundvoraussetzung. Aufgrund der Helligkeit der Quellen und hinreichend hoher Pumpenergien konnten in der Arbeitsgruppe gepulste Photonenzahl-Zustände mit Photonenzahlen bis acht und höher mit hohen Raten realisiert werden. Durch das Lasersystem stand zudem Referenzlicht als Lokaloszillator im Telekommunikationswellenlängenbereich zur Verfügung. Damit konnten Korrelationsmessungen mit verschobenen Photonenstatistiken für hochgradig nicht-klassische Quantenlicht-Zustände verwirklicht werden. Diese erlauben insbesondere auch den Dualismus von Teilchen-Welleneigenschaften des Lichts genauer zu beleuchten und für potentielle Anwendungen in der Quantenkommunikation zu erkunden. An optimized photon pair source for quantum circuits. Opt. Exp., 21(12), 13975 (2013) Georg Harder, Vahid Ansari, Benjamin Brecht, Thomas Dirmeier, Christoph Marquardt, Christine Silberhorn Demonstration of coherent time-frequency Schmidt mode selection using dispersion-engineered frequency conversion. Phys. Rev. A 90, 030302(R) (2014) Benjamin Brecht, Andreas Eckstein, Raimund Ricken, Viktor Quiring, Hubertus Suche, Linda Sansoni, Christine Silberhorn (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.90.030302) Time-multiplexed measurements of nonclassical light at telecom wavelengths. Phys. Rev. A 90, 042105 (2014) G. Harder, C. Silberhorn, J. Rehacek, Z. Hradil, L. Motka, B. Stoklasa, and L. L. Sánchez-Soto (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.90.042105) Tomography by Noise Phys. Rev. Lett. 113, 070403 (2014) G. Harder, D. Mogilevtsev, N. Korolkova, and Ch. Silberhorn (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.070403) Uncovering Quantum Correlations with Time Multiplexed Click Detection. Phys. Rev. Lett. 115, 023601 (2015) J. Sperling, M. Bohmann, W. Vogel, G. Harder, B. Brecht, V. Ansari, C. Silberhorn (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.023601)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)