LV 704103, SS 2017

Seminar mit Bachelorarbeit: Experimentalphysik

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Gregor Weihs (GW), Robert Keil (RK)

B.1 Gekoppelte optische Wellenleiter als Modellsystem

Robert Keil

Ein Wellenleiter ist eine lokale Erhöhung der Brechzahl, die zur Lichtführung verwendet wird. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind hierbei analog zum Potentialtopf der Quantenmechanik, so dass auch „Tunneln“, sog. evaneszente Kopplung, zwischen benachbarten Wellenleitern auftreten kann [1].

Systeme aus mehreren gekoppelten Wellenleitern bilden daher gut kontrollierbare Modellsysteme für Festkörper und ermöglichen die Beobachtung der Dynamik einzelner Elektronen mit optischen Mitteln. Beispielsweise wurden auf diese Weise erstmals Bloch-Oszillationen, d.h. Schwingungen der Elektronen im Kristall in Gegenwart eines externen elektrischen Feldes, nachgewiesen [2,3] und elementare Eigenschaften von Graphen (zweidimensionaler Kohlenstoff) untersucht [4,5].

Ziel der Bachelorarbeit ist eine Einarbeitung in die Grundlagen optischer Wellenleiter und ihrer Kopplung sowie das Studium einiger festkörperphysikalischer Modellsysteme.

  1. Okamoto, Fundamentals of optical waveguides, 2nd ed. (Elsevier, 2006)
  2. Pertsch, P. Dannberg, W. Elflein, A. Bräuer, and F. Lederer, Phys. Rev. Lett. 83, 4752 (1999).
  3. Morandotti, U. Peschel, J. S. Aitchison, H. S. Eisenberg, and Y. Silberberg, Phys. Rev. Lett. 83, 4756 (1999).
  4. Peleg, G. Bartal, B. Freedman, O. Manela, M. Segev, and D. N. Christodoulides, Phys. Rev. Lett. 98, 103901 (2007)
  5. Plotnik, M. C. Rechtsman , D. Song, M. Heinrich, J. M. Zeuner, S. Nolte, Y. Lumer Y, N. Malkova, J. Xu, A. Szameit, Z. Chen, and M. Segev, Nature Mater. 13, 57 (2013)

B.2 Mehrphotoneninterferenz

Robert Keil

Photonen sind die kleinsten Teilchen des Lichts. Sie sind stabil und lassen sich problemlos über weite Strecken übertragen. Allerdings wechselwirken Photonen nicht direkt untereinander, was ihre Nützlichkeit als Informationsträger der Quanteninformationsverarbeitung erheblich einschränkt.

Dennoch ist eine indirekte Wechselwirkung zwischen Photonen durch Interferenz möglich. So treten zwei identische Photonen, die in zwei Eingänge eines Strahlteilers gesendet werden, immer gemeinsam in dessen Ausgangsarmen auf, obwohl jedes Photon für sich zwei mögliche Ausgangswege hat [1]. Dieser Effekt kann genutzt werden um bestimmte Mehrphotonenzustände zu erzeugen und Rechenoperationen durchzuführen. Ähnliche Prozesse mit steigender Komplexität treten bei mehreren Photonen auf [2].

In dieser Bachelorarbeit soll die Literatur zum Thema der Interferenz mehrerer Photonen studiert und zusammengefasst werden, sowie Anwendungsmöglichkeiten, ihre Potentiale und Grenzen aufgezeigt werden.

  1. K. Hong, Z. Y. Ou und L. Mandel, Measurement of Subpicosecond Time Intervals between Two Photons by Interference, Phys. Rev. Lett. 59, 2044 (1987).
  2. C. Tichy, Interference of identical particles from entanglement to boson-sampling, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 47, 103001 (2014).

B.3 Resonante Anregung von Halbleiterquantenpunkten

Gregor Weihs

Einzelne Halbleiterquantenpunkte verhalten sich wie künstliche Atome und besitzen diskrete Energieniveaus für Elektronen und Löcher. Damit können sie als Quellen einzelner Photonen fungieren. Für die Verwendung der einzelnen Photonen in der Quantenkommunikation müssen diese ununterscheidbar sein. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass gute Ununterscheidbarkeit praktisch nur durch resonante Anregung erreicht werden kann, welche aber für ein Festkörpersystem nur mit Schwierigkeiten erzielt werden kann. In der Bachelorarbeit soll das Phänomen der Resonanzfluoreszenz allgemein behandelt und dann die Anwendung auf Quantenpunkte genauer diskutiert werden.

  • A. Müller et al., Resonance Fluorescence from a Coherently Driven Semiconductor Quantum Dot in a Cavity, Phys. Rev. Lett. 99, 187402 (2007).
  • N. Vamivakas, Y. Zhao, C.-Y. Lu, and M. Atatüre, Spin-resolved quantum-dot resonance Fluorescence, Nat. Phys. 5, 198 (2009).

B.4 Satellitengestützte Quantenkommunikation

Gregor Weihs

Die Übertragungsverluste in Glasfasern sind zwar klein, verhindern aber die direkte Quantenkommunikation über Strecken von mehr als ca. 100 km. Eine Alternative ist die Freistrahl-optische Kommunikation mit Hilfe von Satelliten. Dazu wurden schon eine Reihe von Experimenten durchgeführt und vor kurzem ein Satellit in China gestartet. In der Bachelorarbeit sollen die Randbedingungen für satellitengestütze Quantenkommunikation analysiert werden und die bisherigen Experimente (erdbasiert, mit Flugzeugen und Ballons) zusammengefasst werden.