Quanteninterface zwischen optischen- und Mikrowellenphotonen
Ziel des beantragten Vorhabens ist die Entwicklung eines Quantenkonverters zwischen photonischen Qubits und stationären Quantenschaltkreisen auf der Basis von Festkörpern. Das Herzstück des Quantenkonverters ist das Spin-Ensemble von Seltenen Erd-Ionen, das sowohl mit Mikrowellen als auch mit optischen Photonen wechselwirken kann. Die meisten Seltenen Erden, insbesondere Erbium, zeigen keine resonanten Energieübergänge im Mikrowellenbereich, weswegen ein von außen angelegtes Magnetfeld eine Aufspaltung in zwei Zeeman-Zustände bewirkt. Ein planarer, supraleitender Resonator, der auf der Oberseite des mit Seltenen Erden dotierten Kristalls aufgebracht ist, koppelt an das Spin- Ensemble der Seltenen Erd-Ionen zum oszillierenden Magnetfeld eines einzelnen Mikrowellen-Photons. Die exzellenten Kohärenzeigenschaften der Seltenen Erden prädestinieren sie zur Implementierung eines Quantenspeichers für supraleitende Quantum Bits und optische Photonen. Für die Quantenkommunikation können die verschränkten Zustände des Lichtes in einem Ensemble von Seltenen Erd-Ionen gespeichert, in das Mikrowellenfeld übertragen und mit einem kleinen Quantenprozessor “gereinigt” werden. In einer folgenden Phase kann das gewonnene Mikrowellenfeld in optische Photonen übertragen werden. Das hier vorgeschlagene System erlaubt einen reversiblen Quanten- Zustands-Transfer zwischen Mikrowellen und optischen Feldern sowie die Speicherung von Quanteninformation und ihrer schnellen Prozessierung mit supraleitenden Qubits.
Teilprojekt: Fokussierte Ionen-Implantation von seltenen Erden
In diesem Teilvorhaben verfolgt der PI das Ziel, Erbium oder auch andere seltene Erd-Ionen in verschiedene kristalline Matrizen einzubringen, um die photonischen Qubits und stationäre Festkörper-Quantenschaltkreise in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern zu realisieren. Dazu sollen zunächst die fokussierten Ionenquellen für seltene Erden hergestellt, optimiert, intensiv getestet und charakterisiert werden. Dann sollen die Implantationen mit verschiedenen Energien und Fluenzen in verschiedenen Festkörpertargets durchgeführt werden. Um bei hohen Fluenzen Sputtereffekte zu vermeiden, soll die Energie der Ionen, ausgehend von 100keV, bis in den wenigen 100eV-Bereich verringert werden. Als dritte Phase sollen die Festkörper durch schnelles thermisches Ausheilen (rapid thermal annealing RTA) von unintentionell eingebrachten Defekten befreit werden, um nichtstrahlende Übergänge zu minimieren. Ständige Mikrowellen- und optische Experimente bei den Projektpartnern erlaubt die Optimierung der fokussierten Ionenimplantations- und RTA- Parameter wie Dauer der Ausheilung, Temperatur und Prozessgas bzw. Vakuum.
Die Verwertung der Ergebnisse erfolgt in unmittelbarer Zusammenarbeit mit den Projektpartnern.