Vorhaben DiNOQuant - Diamant-Nanophotonik für On-Chip Quantentechnologie

Abstract

Das Vorhaben DiNOQuant verfolgte das Ziel, Diamant-Nanophotonik als technologische Grundlage für On-Chip-Quantentechnologien weiterzuentwickeln. Ausgangspunkt war die wissenschaftliche und technische Herausforderung, optisch aktive Festkörper-Quantensysteme in Diamant, insbesondere Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV), Silizium-Fehlstellen-Zentren (SiV) und Zinn-Fehlstellen-Zentren (SnV), so mit nanophotonischen Strukturen zu verbinden, dass effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung, kohärente optische Kontrolle und skalierbare Kopplung an photonische Schnittstellen möglich werden. Bei Projektbeginn waren einzelne Farbzentren in Diamant bereits als hochinteressante Quantensysteme etabliert. Gleichzeitig bestanden wesentliche Engpässe bei der reproduzierbaren Nanostrukturierung, der optischen Kohärenz in nanostrukturierten Proben, der Faserkopplung, der deterministischen Integration einzelner Defektzentren in photonische Bauelemente und der Umsetzung konkreter Bausteine für Quantenrepeater und integrierte Quantennetzwerke. DiNOQuant setzte hier an und verband Materialprozessierung, Nanofabrikation, Quantenoptik, Mikrowellen- und optische Kontrolle, Simulation und Bauelemententwicklung in einem zusammenhängenden Arbeitsprogramm. Die ursprüngliche Aufgabenstellung umfasste insbesondere den Aufbau einer experimentellen und technologischen Infrastruktur, die Herstellung und Charakterisierung von Farbzentren in Diamant, die Entwicklung nanophotonischer Strukturen zur effizienten Kopplung an Fasern und Wellenleiter, die Untersuchung kohärenter optischer Eigenschaften sowie die theoretische Modellierung und Entwicklung von Protokollen für Quantennetzwerk-Anwendungen. Der wissenschaftlich-technische Stand, an den angeknüpft wurde, war durch einzelne Demonstrationen von Farbzentren und nanophotonischen Bauteilen geprägt, jedoch noch nicht durch eine robuste, integrierbare und skalierbare Prozesskette.