2023S704710 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 Laborpraktikum der Experimentalphysik: Optik (704718/704727) 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. Pulse shaping approaches for quantum dot excitation (Simulation)

Laser pulses with tailored amplitude and/or spectral phase have been employed in various fields of scientific research, for instance, to deterministically control the excited state population of a quantum emitter. The majority of pulse-shaping approaches rely on the so-called 4f pulse shaper [1], where frequency components are spatially dispersed by a grating-lens combination to a spatially-varying mask where amplitudes/phases are manipulated. 

In this project, the student will describe a 4f pulse shaper using the mathematical formalism described in [2] (only Appendix B). 

  • [1] Monmayrant et. al., "A newcomer's guide to ultrashort pulse shaping and characterization" Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43.10 (2010) 10.1088/0953-4075/43/10/103001 
  • [2] Sussman et. al., "Focusing of light following a 4-f pulse shaper: Considerations for quantum control" Physical Review A 77.4 (2008): https://doi.org/10.1103/PhysRevA.77.043416
  • [3] Tanabe et. al., "Spatiotemporal measurements based on spatial spectral interferometry for ultrashort optical pulses shaped by a Fourier pulse shaper" JOSA B 19.11 (2002) https://doi.org/10.1364/JOSAB.19.002795
  • [4] (Advanced reading): Wefers and Nelson, "Analysis of programmable ultrashort waveform generation using liquid-crystal spatial light modulators." JOSA B 12.7 (1995)  https://doi.org/10.1364/JOSAB.12.001343

VR2. Linear spectral interference for pulse characterization (Simulation)

Chirped laser pulses (i.e., laser pulses with time-varying frequency) have triggered extensive research in various scientific communities including quantum optics. For instance, in quantum dots, chirped pulse excitation can lead to high-efficiency preparation of exciton and biexciton states [1,2] independent of the quantum dot properties. This enables a collective excitation of spatially multiplexed high-purity single photon sources or entangled photon pairs [3]. 

A major challenge in this experiment is the generation and characterization of chirped laser pulses. Several methods exist to characterize picosecond laser pulses, however, most of them rely on nonlinear methods and demand high peak power. In this project, the student will investigate a linear, spectral interference method to characterize picosecond laser pulses based on [4]. 

Note: this project can be tailored to involve experimental tasks, however, it would demand a lab-time of 3 days per week (uninterrupted).

  • [1] Kaldewey et. al., "Coherent and robust high-fidelity generation of a biexciton in a quantum dot by rapid adiabatic passage" Physical Review B 95.16 (2017): https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.161302 
  • [2] Wei et. al., "Deterministic and robust generation of single photons from a single quantum dot with 99.5% indistinguishability using adiabatic rapid passage" Nano letters 14.11 (2014) https://doi.org/10.1021/nl503081n
  • [3] Kappe et. al., "Collective Excitation of Spatio-Spectrally Distinct Quantum Dots Enabled by Chirped Pulses", https://arxiv.org/abs/2209.08972 
  • [4] Fan et. al.,  "Measurement of the chirp characteristics of linearly chirped pulses by a frequency domain interference method."  Optics Express 21.11 (2013): https://doi.org/10.1364/OE.21.013062
  • [5] (Advanced reading): Fittinghoff et. al.,  "Measurement of the intensity and phase of ultraweak, ultrashort laser pulses" Optics Letters 21.12 (1996): https://doi.org/10.1364/OL.21.000884 

RK1 Photonic quantum heat engine (optional Simulation)

Eine Wärmekraftmaschine (Kühlschrank, Wärmepumpe, etc.) erzeugt Arbeit durch den Austausch von Wärme zwischen zwei Reservoirs. Der Wirkungsgrad des Vorgangs kann dabei nicht den des idealen Carnot-Prozesses übersteigen. Quanten-Wärmekraftmaschinen nutzen die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik aus und können unter bestimmten Umständen die Carnot-Effizienz übersteigen. In einer aktuellen Veröffentlichung wurde eine Quanten-Wärmekraftmaschine basierend auf Photonen und Atomen vorgestellt [1].

In dieser Bachelorarbeit soll zunächst die zu Grunde liegende Physik von (Quanten-)Wärmekraftmaschinen und Superstrahlung (superradiance) diskutiert werden. Dann soll das Experiment aus Ref. [1] kritisch analysiert und zusammengefasst werden. Ergänzend können Simulationen des Experiments vorgenommen werden um Parameterabhängigkeiten zu studieren und Skalierungsmöglichkeiten zu diskutieren.

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

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