2024S704161 Seminar mit Bachelorarbeit

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Stefan Frick (SF), Vikas Remesh (VR), Robert Keil (RK)

Die Themen können entweder nur auf der Basis von Fachliteratur oder (nicht alle davon) mit eigener experimenteller bzw. computerunterstützter Komponente bearbeitet werden. Für letztere Variante ist es sehr ratsam das Fortgeschrittenenpraktikum: Optik (704461/704804) zusätzlich zu belegen, entsprechend drei Wochen Vollzeit Arbeit im Labor. Ansonsten kann der Zeitaufwand für die Bachelorarbeit kaum bewältigt werden. Wir empfehlen, das Laborpraktikum, bzw. die Bachelorarbeit nach Absprache mit dem Betreuer bereits in den Semesterferien zu beginnen. Durchgestrichene Themen sind bereits vergeben.

VR1. Wavelength-to-time mapping method to characterize chirped pulses (experimental)

Semiconductor quantum dots (QD) are arguably the most promising platform to generate high-quality single photons and entangled photon states. There are several ways to generate photon states from a QD, among which, chirped pulse excitation is the most effective and advantageous [1]. A major challenge in this experiment is the generation and characterization of chirped laser pulses. In this project, the student will investigate the limits of a wavelength-to-time mapping method (in other words, time-of-arrival) to characterize the dispersion of our custom-made chirped fiber Bragg gratings [2]. What is the minimum dispersion that can be measured? How precise is this measurement technique? You will find out!

[1] Kappe et al. Chirped Pulses Meet Quantum Dots: Innovations, Challenges and Future Perspectives, Adv. Quantum Technol. 2024, https://doi.org/10.1002/qute.202300352

[2] Remesh et al. Compact Chirped Fiber Bragg Gratings for Single-Photon Generation from Quantum Dots, APL Photonics 8, 101301 (2023), https://doi.org/10.1063/5.0164222

RK1 Anpassung von Einzelphotonenspektren durch elektro-optische Modulation (vergeben)

In Quantennetzwerken sollen unterschiedliche Komponenten, wie Quantenprozessoren, -speicher oder Einzelphotonenquellen verbunden werden um komplexe Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung zu erfüllen. Da eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien für diese Aufgaben in Frage kommen, ist zu erwarten, dass diese Netzwerke aus unterschiedlichen physikalischen Systemen bestehen, die jeweils Photonen mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften emittieren oder absorbieren. Um eine effiziente Übertragung innerhalb des Netzwerks sicherzustellen, ist es daher erforderlich die Spektren der Photonen umzuwandeln. Insbesondere die Umwandlung der spektralen Bandbreite stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Hierfür hat sich in den letzten Jahren die elektro-optische Manipulation der Photonen durch ein so-genannte time lens als geeignetes Mittel herausgestellt [1, 2].

In dieser Bachelorarbeit soll das Konzept der time lens aus der Literatur erarbeitet und mit anderen Methoden der spektralen Manipulation verglichen werden. Anschließend soll mittels numerischer Simulation die mit realistischen Parametern erreichbare spektrale Erweiterung von Einzelphotonen aus Halbleiterquantenpunkten [3] bestimmt werden. Diese Simulationen unterstützen ein im Aufbau befindliches Experiment der AG Photonik.

1) M. Karpiński, M. Jachura, L. J. Wright, B. J. Smith, Bandwidth manipulation of quantum light by an electro-optic time lens, Nature Photon. 11, 53 (2017), [link]

2) F. Sośnicki, M. Mikołajczyk, A. Golestani, M. Karpiński, Interface between picosecond and nanosecond quantum light pulses, Nat. Photon. 17, 761 (2023), [link]

3) Y. Arakawa, M. J. Holmes, Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview, Appl. Phys. Rev. 7, 021309 (2020), [link]

SF1 Simulation von sicheren Schlüsselraten in der satellitengestützten Quantenkryptographie

Die Quantenkryptographie [1,2] ist heutzutage eine der meist ausgereiften Anwendungen der Quantenmechanik. Über einen Quantenkanal werden einzelne mit Quanteninformation beschriebene Lichtteilchen zwischen zwei Parteien ausgetauscht. Aufgrund des No-Cloning-Theorem kann dabei jede Interaktion der Lichtteilchen mit einer dritten Partei entdeckt werden und somit ist die Sicherheit des so ausgetauschten Schlüssels garantiert.

Allerdings verringert sich die mögliche Länge des ausgetauschten Schlüssels mit der Effizienz des Austausches der Lichtteilchen. Verringert sich die Effizienz unter eine kritische Grenze ergibt sich kein verwendbarer Schlüssel mehr. Diese ist Grenze ist bei konventionellen Fasernetzwerken nach ca. 100 km erreicht. Satellitengestützte Quantenkryptographie [3] verspricht dieses Problem zu lösen.

In dieser Bachelorarbeit soll die voraussichtliche Schlüssellänge pro Jahr berechnet werden, welche zu erwarten ist beim Austausch eines Quantenschlüssel zwischen einer optischen Bodenstation an der Station Hafelekar der Nordkettenbahnen und dem kanadischen Quantensatelliten QEYSSat. Dazu sollen numerische Simulationen verwendet werden welche ähnlich zu [4] den Satellitenorbit, Wetterdaten, geometrische optische Verluste und Atmosphärenmodelle in Betracht ziehen.

Zur Durchführung dieser Bachelorarbeit sind sehr gute Programmierkenntnisse nötig.

[1] Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 74(1), 145–195. 10.1103/RevModPhys.74.145
[2] Pirandola, S., Andersen, U. L., Banchi, L., Berta, M., Bunandar, D., Colbeck, R., Englund, D., Gehring, T., Lupo, C., Ottaviani, C., Pereira, J. L., Razavi, M., Shamsul Shaari, J., Tomamichel, M., Usenko, V. C., Vallone, G., Villoresi, P., & Wallden, P. (2020). Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics, 12(4), 1012. 10.1364/AOP.361502
[3] Sidhu, J. S., Joshi, S. K., Gündoğan, M., Brougham, T., Lowndes, D., Mazzarella, L., Krutzik, M., Mohapatra, S., Dequal, D., Vallone, G., Villoresi, P., Ling, A., Jennewein, T., Mohageg, M., Rarity, J. G., Fuentes, I., Pirandola, S., & Oi, D. K. L. (2021). Advances in space quantum communications. IET Quantum Communication, 2(4), 182–217. 10.1049/qtc2.12015
[4] Ntanos, A., Lyras, N. K., Anwar, S., Alia, O., Zavitsanos, D., Giannoulis, G., Panagopoulos, A. D., Kanellos, G., & Avramopoulos, H. (2022). Large - Scale LEO Satellite Constellation to Ground QKD links: Feasibility Analysis. 2022 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications, ICSOS 2022, 288–295. 10.1109/ICSOS53063.2022.9749743