A3. Neue Quellen für verschränkte Photonen

Forschung auf dem sich derzeit schnell entwickelnden Gebiet der Quantenoptik zielt einerseits auf ein Ausloten der grundlegenden Grenzen der Quantenmechanik, andererseits aber auch auf die Untersuchung und Entwicklung von Quanten-Informationssystemen. Hier stellen Photonen - als quantum bits Grundeinheiten der Quanteninformation - in einem Zustand der Verschränkung sowohl eine gute Möglichkeit für das Studium von Nichtlokalität in Quantensystemen als auch eine Basis für die Entwicklung von Quantenkommunikation dar. Beide Bereiche verlangen jedoch die Beteiligung zahlreicher Quantenteilchen (hier Photonen) am Zustand der Verschränkung zur Manifestation möglichst ausgeprägter Nichtlokalität. Die zum heutigen Zeitpunkt übliche Methode zur Erzeugung verschränkter Photonen benutzt den nichtlinear optischen Effekt der spontanen parametrischen Fluoreszenz, bei dem in der Wechselwirkung mit einem nichtlinear optischen Kristall aus einem UV-Photon spontan ein Paar von Photonen der jeweils halben Energie erzeugt wird. Diese erzeugten Photonen sind hochkorreliert in Bezug auf Entstehungszeit, Energie und Impuls und befinden sich bei Beachtung der Bedingungen für Phasenanpassung für den Prozeß der parametrischen Fluoreszenz und spezieller experimenteller Geometrie im verschränkten Zustand. Als nichtlinear optisches Medium findet derzeit ausschließlich der Kristall β-BaB₂O₄ (BBO) Verwendung, der aufgrund seiner hohen (trigonalen) Symmetrie eine einfache Berechnung und Realisierung der Phasenanpassungsbedingungen zuläßt. Die allerdings nur geringe Konversionseffizienz des BBO setzt der Erzeugung der gesuchten verschränkten Multi-Photonsysteme jedoch sehr enge Grenzen; eine Möglichkeit zur Erhöhung der Konversionseffizienz würde einen vielfachen Zugewinn an verschränkten Multiphotonen bedeuten.
Arbeiten in dem hier beschriebenen Forschungsprojekt befassen sich mit der Entwicklung neuer nichtlinear optischer Materialien, deren Konversionseffizienz über der des β-BaB₂O₄ liegt, um damit die Erzeugung verschränkter Systeme mit zahlreichen beteiligten Photonen zugänglich zu machen. In die Entwicklung sollen Kristalle beliebiger azentrischer Symmetrie einbezogen werden. Im Rahmen der bisherigen Arbeiten zu diesem Forschungsprojekt wurde eine Berechnungsstrategie für die Bedingungen für nicht-kollineare Typ II Phasenanpassung der parametrischen Fluoreszenz für Kristalle jeglicher Symmetrie erarbeitet. Ergeben sich mehrere verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung der genannten Phasenanpassung, so wird als Entscheidungskriterium zwischen diesen Realisierungsmöglichkeiten die Berechnung der effektiven nichtlinear optischen Suszeptibilität, die in der jeweils gewählten Geometrie erzielbar ist, herangezogen. Hierzu wurde eine Strategie zur Berechnung effektiver nichtlinear optischer Suszeptibilität ausgehend von den Koeffizienten des nichtlinear optischen Suszeptibilitätstensors [χ_ijk] für Kristalle jeder Symmetrie erarbeitet. Für die Abschätzung der Koeffizienten χ_ijk für die parametrische Fluoreszenz werden experimentell ermittelte Koeffizienten des SHG-Tensors [d_ijk^SHG] verwendet. Das Projekt wird in Kooperation mit Dr. H. Eisenberg, einem Quantenoptiker an der Hebrew-University in Jerusalem durchgeführt. Die Förderung des Projekts wird aktuell beantragt.

Abb.6: Links: Stereographische Projektion möglicher Einstrahlrichtungen für nichtkollinear Typ II phasenangepasste parametrische Fluoreszenz in KNbO₃ für eine Grundwelle von 633 nm. Rechts: Berechnete Richtungen der Emission von Photonen für ausgewählte Einstrahlrichtungen.

Projekte:

A1. Neue Quellen kohärenten Lichts

A1.1. Auf χ⁽²⁾-Prozessen basierende Frequenzkonvertoren

A1.2. Auf χ⁽³⁾-Prozessen basierende Frequenzkonvertoren und χ⁽²⁾ ↔ χ⁽³⁾-Kaskadenprozesse

A1.3. Multifunktionale Lasermaterialien

A2. Elektrooptische Kristalle

A3. Neue Quellen für verschränkte Photonen