Ultra-Kurzpuls-Lasersystem mit frequenz-durchstimmbarem optischem parametrischem Oszillator
?berblick
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 Quantenzust?nde wer-den hochreine bandbreitenbegrenzte Femto-Sekundenpulse ben?tigt, die über Frequenzkonversionen in Quantenlicht-Zust?nde mit speziellen Quanteneigenschaften umgewandelt werden. Dabei werden über einen parametrischen Frequenzmischungsprozess beispielsweise Lichtzust?nde mit genau defi-nierter Photonenzahl oder reduziertem Amplituden- oder Phasenrauschen generiert. Die erzeugten Signal-Zust?nde sollen im Telekommunikationswellenl?ngenbereich 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 Wellenl?ngenbereich ben?tigt; die Durchstimmbarkeit ist essentiell um Phasenanpassungsbedingungen flexibel erreichen zu k?nnen.
DFG-Verfahren Forschungsgro?ger?te
Ger?tegruppe 5700 Festk?rper-Laser
Antragstellende Institution Universit?t Paderborn
Leiterin Professorin Dr. Christine Silberhorn
Detailinformationen
Ergebnisse
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-Zust?nde und Quanten-Zustandscharakterisierung mit photonenzahlaufl?sender Detektion. Ultrakurzpuls-Quantensysteme. Durch ein spezielles Design der dispersiven Eigenschaften von nichtlinearen Wellenleitern k?nnen Ultrakurzpuls-Photonenzust?nde mit hoher Reinheit und einer au?ergew?hnlichen Effizienz über parametrische Zwei-Photonenfluoreszenzprozesse erzeugt werden. Ma?geschneiderte Konversionsprozesse erlauben vielf?ltige M?glichkeiten zur Selektion, Pulsformung und Verschaltung von Quantenlichtpulsen in komplexen Zeit-Modenstrukturen. Durch ein systematisches ?Engineering“ integrierter Quantenlicht-Quellen ist es in der Arbeitsgruppe gelungen, au?erordentlich effiziente Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Quelle für hoch reine gepulste Ein- und Mehr-Photonen-Zust?nde zu entwickeln. Zur Implementierung dieser Quellen ist das beschaffte Lasersystem essentiell, da dieses zum Pumpen der eingesetzten nicht-linearen Prozesse ben?tigt 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 l?sst sich für eine energie-effizientere und sichere Informationsübertragung sowie für neuartige Protokollen zur Quanteninformationsverarbeitung nutzen, die eine h?her dimensionale Kodierung benutzen. Bis vor kurzem hat für solche Systeme ein wichtiger Baustein, n?mlich die Adressierung einzelner Zeit-Moden, gefehlt. Basierend auf einem früheren Vorschlag in der Arbeitsgruppe konnte nun mittels des Lasersystems tats?chlich erstmals experimentell gezeigt werden, dass eine ma?geschneiderte Summenfrequenzerzeugung tats?chlich die ben?tigten Eigenschaften erfüllt. Die Arbeiten sind grundlegend für die folgenden Projekte, für die bereits erfolgreich Drittmittel eingeworben werden konnten. Vielphotonen-Zust?nde und Zustandscharakterisierung mit photonenzahlaufgel?ster Detektion. Die Entwicklung hoch-effizienter Detektoren zum Z?hlen der Protonenzahlen von Quantenlicht erm?glicht eine Reihe neuartiger Experimente, die die Ambivalenz von wellen- und teilchenartigen Eigenschaften des Lichtes weiter beleuchten. In der Arbeitsgruppe werden photonenzahlaufgel?ste Messungen genutzt, um hochgradig nicht-klassische Eigenschaften korrelierter Viel-Photonen-Zust?nde über Photonenz?hlexperimente zu demonstrieren. Zur Pr?paration der Viel-Teilchen-Zust?nde sind die bereits erw?hnten neuen Quantenlicht-Quellen, die nur über das spezielle ?Engineering“ und geeignete Pumplaser realisiert werden k?nnen, eine Grundvoraussetzung. Aufgrund der Helligkeit der Quellen und hinreichend hoher Pumpenergien konnten in der Arbeitsgruppe gepulste Photonenzahl-Zust?nde mit Photonenzahlen bis acht und h?her mit hohen Raten realisiert werden. Durch das Lasersystem stand zudem Referenzlicht als Lokaloszillator im Telekommunikationswellenl?ngenbereich zur Verfügung. Damit konnten Korrelationsmessungen mit verschobenen Photonenstatistiken für hochgradig nicht-klassische Quantenlicht-Zust?nde 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 (365足彩投注_365体育投注@he 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 (365足彩投注_365体育投注@he 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 (365足彩投注_365体育投注@he 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 (365足彩投注_365体育投注@he online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.023601)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)