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Integration von Quantenpunkten und Atomdampf

25. November 2016;

Ein Team von Forschern der Universität Stuttgart und des Max Planck Instituts für Festkörperforschung hat ein Experiment zur Kombination von Quantenpunkten und Atomdämpfen durchgeführt. Die Arbeit, geleitet durch die Wissenschaftler Dr. Ilja Gerhardt (Max Planck Institut und 3. Physik Institut der Universität Stuttgart) und Simone Luca Portalupi (Institut für Halbleiter und funktionelle Grenzflächen, IHFG, Universität Stuttgart) zielt auf die Integration der idealen Eigenschaften einer Festkörper-Einzelphotenquelle welche spektral mit Atomdämpfen überlappt.

Die Einzelphotonenquelle basiert auf einem Quantenpunkt („QD“), welches ein winziges Halbleitergebilde ist und stimmt diesen spektral auf atomares Cäsium (Cs-FADOF) ab. Unter starker resonanter Anregung teilen sich die emittierten Photonen in ein sogenanntes “Mollow-Triplet” , welches auf drei charakteristischen Linien leuchtet. Hierbei ist die Emission von Photonen immer einzeln und nacheinander - ein fundamentaler Unterschied z.B. zu einer normalen Lampe oder etwa der Sonne. Diese, als „nicht-klassische Lichtquelle“ bezeichnete Lampe, kann extrem schmalbandig sein (d.h. sie emittiert nur auf einer einzigen Wellenlänge), und gleichzeitig extrem hell – damit bietet sie die idealen Eigenschaften für neuartige Quantenkommunikation und Quanteninformationsprotokolle.

Wenn man aus mehreren Quantenpunkten jedoch ein Netzwerk zusammenbauen will, besteht häufig das Problem, dass in verschiedenen Laboren wiederum verschiedene Quantenpunkte vorliegen. Dies macht die verschiedenen Arbeiten häufig nicht kompatibel zu einander. Die vorgestellte Arbeit versucht genau dieses Problem zu lösen und stellt den Quantenpunkt genau auf die Atomwellenlänge ein. Dies erlaubt eine Weiterverbreitung von Quanteninformation über viele Labore hinweg.

Cäsiumatome sind bereits seit vielen Jahren der primäre Zeitstandard in Wissenschaft und Technik. In der präsentierten Arbeit werden die selben Atome als spektraler Filter für die oben genannten Quantenpunkte genutzt. Dabei sind sie gleichzeitig aber auch eine absolute Farbreferenz für deren Emission. Die genaue Referenz ist dabei um mehrere tausend Male präziser als z.B. eine normale Farbpalette welche wir aus dem Alltag kennen.

Das Arbeitsfeld der beteiligten Arbeitsgruppen sind sogenannte Quantenhybridsysteme, die sich zur Aufgabe stellt die einzelnen, verschiedenen Arbeitsgebiete der Quantenoptik auf eine gemeinsame Basis zu stellen und quasi eine gemeinsame Sprache zwischen den jeweiligen Forschungsfeldern zu finden. In diesem konkreten Fall kombinieren die Forscher die Arbeit in Festkörpersystemen mit -üblicherweise in anderen Laboren untersuchten- Atomdämpfen. Diese Forschung wird in Zukunft neuartige Quantentechnologien ermöglichen, wie z.B. maximal abhörsichere Kommunikation. Ein anderes Forschungsfeld sind sogenannte Quantensensoren, die mit Hilfe der Quantennatur viele Größenordnungen empfindlicher sein können als klassische Sensoren.

Die Arbeit erscheint am 25. November 2016 in Nature Communications

Referenz

Simone Luca Portalupi, Matthias Widmann, Cornelius Nawrath, Michael Jetter, Peter Michler, Jörg Wrachtrup, and Ilja Gerhardt, “Simultaneous Faraday filtering of the Mollow triplet sidebands with the Cs-D1 clock transition”, Nature Communications (2016)

Kontakt: Simone Luca Portalupi, s.portalupi@ihfg.uni-stuttgart.de / Ilja Gerhardt, i.gerhardt@fkf.mpg.de