Verbundprojekt: Hochtransparente optische Komponenten für Quantenanwendungen - Qzell; Teilvorhaben: Multi Channel Objektiv für Quantenanwendungen

Abstract

Quantencomputing Plattformen für atomare QuBits benötigen zur Kühlung, Präparation und Manipulation der Atome und zum Auslesen der Quantenzustände spezielle hochauflösende optische Systeme, die zahlreiche Laserstrahlen über einen sehr breiten Spektral- und Winkelbereich einkoppeln. Ziel des Teilvorhabens war die Entwicklung spezieller Objektivsysteme, die die hohen spezifischen Anforderungen an quantenoptische Experimente erfüllen und auf die im Verbundprojekt entwickelten Experimentierzellen für Anwendungen im Quantencomputing ausgelegt sind. Zur Gewährleistung eines optimalen optischen Zugangs und der Detektion von Signalen auf Einzelphotonen Niveau müssen die Systeme über einen breiten Spektralbereich vom UV bis ins NIR beugungsbegrenzte Abbildungseigenschaften bei einen großen Arbeitsabstand sowie eine breitbandige Entspiegelung mit minimalen Restreflexionen aufweisen. Da Quantenzustände häufig über den Polarisationszustand kodiert sind, ist zudem eine polarisationsneutrale Abbildung erforderlich. Für den VIS und erweiterten VIS Bereich sind breitbandige Mikroskopobjektive und andere hochauflösende Systeme bekannt. Diese sind zum einen i.d.R. nicht für den hier erforderlichen großen Arbeitsabstand ausgelegt, zum anderen verwenden sie hauptsächlich Kittgruppen zur Systemkorrektur, die mit den hier auftretenden hohen Laserleistungen nicht kompatibel sind. Grundsätzlich sind auch Mikroskopobjektive aus CaF2 und Fused-Silica für den UV bis nahen UV Spektralbereich bekannt, wobei die spektrale Bandbreite in der Regel stark eingeschränkt ist. Für den für die Quantenanwendungen geforderten vollen Spektralbereich sind keine Objektivsysteme bekannt, insbesondere solche, die auch noch die essentielle ULD (Ultra-Long Distance) Anforderung für den großen Arbeitsabstand innerhalb der Experimentierzelle und durch die Zellwand erfüllen. Daher werden in Aufbauten zum Qantumcomputing bisher meist mehrere optische Systeme zur Kontrolle und Manipulation der QuBits verwendet. Die damit verbundenen Nachteile wie stark erhöhter experimenteller Aufwand und Komplexität werden mit zunehmender Skalierung zu größeren QuBit Arrays jedoch immer gravierender.