Integrale, hochperformante Verschränkungsquellen bei 800 nm - i-EPS; Teilvorhaben: Design, Aufbau und Charakterisierung einer verschränkten Photonenpaar-Quelle mit besonders hoher Paarrate

Abstract

Das Gesamtvorhaben "Integrale, hochperformante Verschränkungsquellen bei 800 nm - i-EPS" zielt auf die Schaffung von Grundlagen für effiziente verschränkungsbasierte Quantenschlüsselverteilung (QKD) mit Satelliten ab. Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens besteht darin, eine hochleistungsfähige, polarisationsverschränkte Photonenquelle (EPS) zu entwickeln, die im Wellenlängenbereich um 800 nm arbeitet und unabhängig von proprietärer Pumplasertechnologie ist. Die im Projekt entwickelten Schlüsselkomponenten umfassen eine kompakte, hochleistungsfähige verschränkte Photonenquelle, einen frequenzverdoppelten Pumplaser, eine präzise Temperaturregelung kritischer Komponenten und Polarisationskontrolle. Dazu haben die Projektpartner Demonstratoren mit unterschiedlichen Optimierungszielen entwickelt. Die Aktivitäten von Quantum Optics Jena konzentrieren sich auf Kompaktheit und Leistung eines Engineering-Modells nach Industriestandard, während Arbeiten des Fraunhofer IOF eine Verbesserung der Paaremissionsrate in einem kompakten experimentellen Aufbau anstrebten. In diesen experimentellen Aufbau sollte insbesondere eine frequenzverdoppelte Pumplaserquelle integriert werden, um eine Lösung bereitzustellen, die unabhängig von proprietärer Laserdiodentechnologie ist. Die frequenzverdoppelte schmalbandige Pumpquelle wurde vom Projektpartner Toptica entwickelt und vom Fraunhofer IOF in den Quellenaufbau integriert. Dieser Bericht gibt einen Überblick über die Aktivitäten und Ergebnisse des Teilprojekts "Design, Aufbau und Charakterisierung einer verschränkten Photonenpaarquelle mit besonders hoher Paarrate" des Fraunhofer IOF, welches von April 2021 bis März 2023 durchgeführt wurde. Der Schwerpunkt dieses Teilprojekts lag auf der Entwicklung und Charakterisierung einer hochleistungsfähigen verschränkten Photonenquelle. Um eine Paaremissionsrate von bis zu 1 Giga-Paar zu erreichen, wurde ein Quellendesign implementiert, das die Zweiphotoneninterferenz von breitbandigen Photonenpaaren nutzt, die durch spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) erzeugt werden. Dieses Design integriert zwei gängige Quellkonfigurationen in einem einzigen Setup, was eine effizientere Nutzung des gesamten Spektrums der verschränkten Photonen und damit eine höhere spektrale Effizienz ermöglicht. Der Bericht enthält Informationen zu den optischen, mechanischen und elektrischen Aspekten des Designs, einschließlich der Herstellung des Kristallofens für die Temperierung, sowie die Montage des Quellen-Demonstrator-Breadboards. Es werden die Ergebnisse verschiedener experimenteller Tests präsentiert, die durchgeführt wurden, um die Erfüllung der Leistungsanforderungen der i-EPS Quelle zu validieren und Parameter wie Fokusgeometrie und Kristalllänge zu optimieren. Darüber hinaus werden Aktivitäten im Zusammenhang mit der Herstellung und Montage des i-EPS Labor-Demonstrators behandelt. Der letzte Abschnitt bietet einen Überblick über die Testaufbauten zur Charakterisierung des i-EPS Labor-Demonstrators, einschließlich der Ergebnisse und Schlussfolgerungen, die aus den experimentellen Ergebnissen abgeleitet werden können. Datei-Upload durch TIB