2022S704710 Seminar mit Bachelorarbeit

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Stefan Frick (SF), Vikas Remesh (VR), Gregor Weihs (GW)

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.

GW.1 Welle-Teilchen Dualismus quantitativ

Der Welle-Teilchen Dualismus ist ein häufig zitiertes Phänomen der Quantenphysik und besagt, dass Elementarteilchen wie Elektronen, Photonen, oder Neutronen sich einerseits wie (Materie-) Wellen verhalten und Interferenz zeigen, andererseits beim Nachweis immer als ganze Teilchen detektiert werden oder eben gar nicht. Für jedes einzelne Teilchen das durch ein Interferometer geht kann man also nicht vorhersagen, wo es nachgewiesen wird, nur die Summe vieler Ereignisse lässt das Interferenzbild erkennen.

Komplementarität bzw. Dualismus bedeutet, dass  die beiden Eigenschaften, also einerseits die Interferenz und andererseits die Information über den Weg den ein Teilchen genommen hat ("Welcher-Weg-Information") einander ausschließen. Diese Relation kann man quantitativ machen, in dem man Maße für Weginformation (Teilchencharakter) und Interferenzkontrast (Wellencharakter) einführt. Damit können auch Fälle betrachtet werden, bei denen weder die eine noch die andere Eigenschaft genau bestimmt sind. Solche Fälle genügen dann einer Ungleichung, siehe Ref. [1-3].

In neueren Arbeiten [4] geht es um die Frage, wie diese quantitative Komplementarität auf Mehrteilchensysteme ausgedehnt werden kann. Die Schwierigkeiten beginnen bereits mit der Frage, wie man für einen Mehrteilchenzustand Teilchen- und Interferenzeigenschaften überhaupt definieren kann. In der Bachelorarbeit soll zuerst der Einteilchenfall studiert werden und dann die Mehrteilchensituation anhand von Photonenpaaren. Es ist möglich, aber nicht zwingend, dazu Experimente zu machen.

  1. D. M. Greenberger, and A. Yasin, Simultaneous wave and particle knowledge in a neutron interferometer, Phys. Lett. A 128, 391 (1988), https://doi.org/10.1016/0375-9601(88)90114-4
  2. G. Jaeger, A. Shimony, and L. Vaidman, Two interferometric complementarities, Phys. Rev. A 51, 54 (1995), https://doi.org/10.1103/PhysRevA.51.54 
  3. B.-G. Englert, Fringe Visibility and Which-Way Information: An Inequality, Phys. Rev. Lett. 77, 2154 (1996), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.2154 
  4. C. Dittel, G. Dufour, G. Weihs, and A. Buchleitner, Wave-Particle Duality of Many-Body Quantum States, Phys. Rev. X 11, 031041 (2021), https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031041 

VR.1 Quantum dot single-photon characterization (Experimental)

Semiconductor quantum dots (QD) are potentially the best candidates to realize bright and stable single-photon sources based on quantum entanglement. An ideal single-photon source is characterized by its indistinguishability, purity, and brightness. For practical reasons, it is therefore important to characterize the properties of single photons produced by the QDs. In this experimental project, the student will work with a Ph.D. student to excite GaAs/AlGaAs QDs kept at 4K in an optical cryostat, and characterize the brightness, purity, and coherence time of the generated single photons. 

VR.2 Photonic cavity structures for quantum dots: Q factor, Purcell factor and directionality (Literature/Simulations)

Semiconductor quantum dots (QD) are excellent sources for generating single photons and entangled photon pairsIn order to realize QD-based photonic quantum information processing, one desires high brightness QDs with higher photon rates and high directionality. These are usually achieved by fabricating photonic cavity structures, characterized by their Q-factor and mode volume, which in turn decide the Purcell enhancement for the electromagnetic field. In this project, the student will perform a comparative/numerical study on a few different cavity designs based on the parameters described above. 

  • Lodahl, Peter, and Søren Stobbe. "Solid-state quantum optics with quantum dots in photonic nanostructures." Nanophotonics 2.1 (2013): 39-55. https://doi.org/10.1515/nanoph-2012-0039
  • Ding, Xing, et al. "On-demand single photons with high extraction efficiency and near-unity indistinguishability from a resonantly driven quantum dot in a micropillar." Physical review letters 116.2 (2016): 020401. 10.1103/PhysRevLett.116.020401
  • Huang, Huiying, et al. "Bright Single Photon Emission from Quantum Dots Embedded in a Broadband Planar Optical Antenna." Advanced Optical Materials 9.7 (2021): 2001490.  https://doi.org/10.1002/adom.202001490
  • Liu, Jin, et al. "A solid-state source of strongly entangled photon pairs with high brightness and indistinguishability." Nature nanotechnology 14.6 (2019): 586-593. https://doi.org/10.1038/s41565-019-0435-9

SF.1 Quantenvorteil in der Bildgebung (SF)

Unter der Quantenbildgebung[1,2] versteht man ein Verfahren, bei welchem spezielle Quantenzustände (von Licht) dazu benutzt werden Bilder mit besserer Auflösung oder höherem Kontrast aufzunehmen. Vorteile die pro Einheit Lichtleistung erzielt werden sind schon seit einiger Zeit erfolgreich demonstriert worden. Jedoch wird ein echter Quantenvorteil erst dann erreicht wenn eine Lichtleistung nahe an der Zerstörungsschwelle der zu untersuchenden Probe angewandt wird. Solch eine Experiment wurde in 2021 zum ersten Mal mit amplitudengequetschtem Licht gezeigt [3] und kann für sich beanspruchen zuallererst Details aufgelöst zu haben, welche bisher mit konventionellen Lichtquellen unmöglich darzustellen waren.

Ziel dieser Arbeit ist es die theoretischen Grundlagen der Quantenbildgebung zu verstehen und anhand des Beispiels [3] zu erklären. Des Weiteren soll eine Analyse der verfügbaren Daten durchgeführt werden um ein quantenverstärktes Signal-Rausch-Verhältnis zu bestätigen.

  • [1] Lugiato, L. A., Gatti, A., & Brambilla, E. (2002). Quantum imaging. Journal of Optics B: Quantum Semiclassical Optics, 4,
    S176–S183.
  • [2] Genovese, M. (2016). Real applications of quantum imaging. Journal of Optics (United Kingdom), 18(7). https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/7/073002
  • [3] Casacio, C. A., Madsen, L. S., Terrasson, A., Waleed, M., Barnscheidt, K., Hage, B., … Bowen, W. P. (2021). Quantum-enhanced nonlinear microscopy. Nature, 594(7862), 201–206. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03528-w
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