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MOTIVATION
Quantentechnologie mit optischen Fasern
Optische Fasern sind heute das Rückgrat der weltweit vernetzten Kommunikations-Infrastruktur. Es ist deshalb naheliegend, dass diese Infrastruktur auch von zukünftiger fasergebundenen Quantenkommunikation genutzt werden wird. Dazu müssen einzelne Photonen stark an kontrollierte Quantensysteme gekoppelt werden, was mit Faserresonatoren gelingt.
Optische Fasern ermöglichen auch die Realisierung von Schlüsselkomponenten wie z. B. optische Filter und Spektrometer für zukünftige faserbasierte photonische Technologien. Dabei bringt die mittels faseroptischer Komponenten mögliche Miniaturisierung große Vorteile in Stabilität, Robustheit, Integrationsdichte und somit Anwendungsreife. Schließlich wird die Verteilung von Frequenzstandards aus optischen Atomuhren mit einer Genauigkeit von bis zu 10^(-18) mittels optischer Glasfasern eine neue Basis für vernetzte Präzisions-Messtechnik und Quantensensorik schaffen.
Verfahren & Geräte
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Das Fiber Lab der Universität Bonn entwickelt faseroptische Schlüsselkomponenten für die Quantentechnologie.
VERFAHREN UND GERÄTE
Mikrobearbeitung von Faserendflächen durch CO2-Laserablation zur Herstellung miniaturisierter optischer Faserresonatoren
3D-Mikrolithographie-Anlage (Photonic Professional GT von Nanoscribe GmbH) zur Herstellung dielektrischer optischer Mikrostrukturen und Masken für eine strukturierte Metallisierung direkt auf optischen Fasern
Faser-Cleaver und -Splicer für höchste Präzisionsanforderungen
Anlagen zum Aufdampfen von Metallschichten, zum Wirebonden, zur Plasmareinigung und -Veraschung, sowie Faser-Profilometer
PRODUKTE
Faserspiegel
Das Fiber Lab produziert regelmäßig konkave Faserspiegel auf den Endflächen von ein- und mehrmodigen optischen Fasern (Abb. 1). Mit Hilfe eines Interferenzmikroskops wird die Form der Spiegel genau vermessen (Abb. 2). Nach der Beschichtung mit hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln werden daraus Faserresonatoren gefertigt.
Abb. 1: Endfläche einer optischen Glasfaser (Durchmesser 125 µm), links vor und rechts nach der Erzeugung einer konkaven Spiegelfläche mittels Laserablation. Optische Interferenzmikroskop-Aufnahmen.
Optische Faserresonatoren
Faserresonatoren besitzen sehr kleine Modenvolumina (Länge ~100 µm, Radius ~5 µm) bei einer Finesse bis zu 100 000 [1]. Das geringe Bauvolumen (Abb. 3) ermöglicht eine hohe passive Stabilität sowie eine Miniaturisierung und Integration in photonische Systeme. Die Faserresonatoren dienen somit als technische Grundlage z. B. für Quantenspeicher auf der Basis von Atomen und Ionen, sowie für Filter- und Spektroskopie-Anwendungen [1]. Ihre Koppeleffizienz lässt sich durch die Kombination von Fasern verschiedener Typen steigern (Abb. 4).
Abb. 4: Hier wurden kurze, nur Bruchteile von Millimetern lange Stücke von Gradientenindex- und Multimode-Fasern auf eine Singlemode-Faser gespleißt. Hierbei weichen die Faserlängen weniger als 5μm von den vorgegeben Werten ab. Mit diesem Aufbau kann die Modenanpassung zwischen Faserresonator und Singlemode-Glasfaser signifikant verbessert und so die optische Ein- und Auskoppeleffizienz maximiert werden.
Metallische Mikroelektroden und -Antennen auf Faserbauelementen
Die Funktionalität von optischen Faserresonatoren kann weiter gesteigert werden, wenn man die Faserendflächen und die Seiten der Fasern mit metallischen Leiterbahnen und Elektroden versieht. Beispielsweise könnte man damit die Elektroden einer Ionenfalle direkt in den optischen Faserresonator integrieren (Abb. 5). Eine andere potentielle Anwendung ist die Implementierung von RF- und Mikrowellen-Nahfeld-Antennen, die eine besonders effiziente Manipulation von atomaren Quantensystemen mittels magnetischer Felder erlauben.
Während die erforderlichen minimalen Strukturabmessungen von einigen Mikrometern an sich keine besondere technische Herausforderung darstellen, sind die gängigen Lithographieverfahren, z.B. die Elektronenstrahllithographie, leider nicht direkt anwendbar, da diese üblicherweise für ebene Substrate ausgelegt sind. Zudem möchte man eine Kontamination der hochreflektierenden Spiegelschichten mit Photolack-Resten vermeiden. Im Bonner Fiber Lab wird daher ein speziell an die Fasergeometrie angepasstes Mikrostrukturierungsverfahren entwickelt. Hierzu wird zunächst mit Hilfe einer laserbasierten 3D-Mikrolithographie-Anlage (im Prinzip ein 3D Drucker für sehr feine Strukturen) eine spezielle Polymerhülse gedruckt (Abbildung 6). Anschließend wird die optische Glasfaser in die Hülse eingeführt und zusammen mit dieser in eine Aufdampfanlage für Metalle (zumeist Gold oder Kupfer) eingebaut. Die Öffnungen in der Hülse definieren während des Aufdampfvorgangs die metallisierten Bereiche auf der optischen Faser. Im letzten Schritt wird nach dem Aufdampfen die Polymerhülse noch mit einem Mikromanipulator entfernt.
ANWENDUNGEN
Faserbasierte Quantenkommunikation
Die Vertraulichkeit der Datenübertragung und ihre Sicherheit gegen Hacker-Angriffe werden derzeit mittels Verschlüsselungsalgorithmen erreicht, deren Sicherheit jedoch nicht beweisbar ist und mit Quantencomputern in Zukunft möglicherweise sogar gebrochen werden kann. Die Quantenkommunikation bietet hier einen Paradigmenwechsel von algorithmisch zu physikalisch gesicherter Datenübertragung. Quantenkommunikation kann durch die Übertragung von Photonen, in denen Quantenzustände kodiert sind, über Glasfasern realisiert werden. Quantenzustände können jedoch nicht verstärkt werden, daher können heute nur Entfernungen bis ca. 100 km überberückt werden. Für zukünftige landes- und europaweite Quantennetzwerke werden daher sogenannte Quantenrepeater benötigt [2]: Zwischenknoten, ausgestattet mit Quantenspeichern und Quantenoperationen, die auch zwischen weiter entfernt liegenden Knoten Quanten-Verschränkung erzeugen und als Ressource für die Quantenkommunikation bereitstellen können.
Die photonischen Quantenzustände (auf den Fasern „fliegende Qubits“) werden an den Knoten zukünftiger Quantennetzwerke zur Speicherung auf materielle Qubits (Atome oder künstliche Atome) übertragen werden. Dafür werden Bauelemente wie z. B. optische Resonatoren gebraucht, die idealerweise direkt in die Faserstrecken integriert werden [1].
Quantencomputer mit optischen Fasern vernetzen
Einzelne, gespeicherte Ionen stellen gegenwärtig eine der beiden vielversprechendsten Plattformen für Quantencomputer dar. Insbesondere die lange Kohärenzzeit und die damit verbundene Möglichkeit lange komplexe Quantenoperationen auszuführen machen sie attraktiv. Eine Schlüsseltechnologie ist die Vernetzung von Quantencomputern mittels Licht analog zur glasfaserbasierten Kommunikation in der herkömmlichen Informationsverarbeitung. Hierbei nehmen faserbasierte optische Resonatoren eine wichtige Rolle ein, weil sie direkt in Ionenfallen – die Prozessoren eines Quantencomputers – integriert werden können und eine effiziente Ankopplung der Ionenfalle an Fasernetzwerke ermöglichen. Die Miniaturisierung der optischen Resonatoren spielt eine zentrale Rolle, weil zu große Resonatorstrukturen die empfindlichen Qubits in der Ionenfalle – bis hin zum Totalausfall – stören. Die erstmalige Integration faserbasierter Resonatoren in eine Ionenfalle [3] hat der Vernetzung von Quantencomputern somit eine neue Tür geöffnet. Die konsequente Weiterentwicklung der Faserresonatoren zu neuen Wellenlängenbereichen (von ultraviolet bis infrarot), verbesserten Oberflächenbeschichtungen und Positioniergenauigkeit wird die Bandbreite der Einsetzbarkeit in Zukunft weiter verbreitern.
Optische Filter und Spektrometer
Faserresonatoren eignen sich sehr gut als integrierte und schmalbandige optische Filter. Sie können mit der sogenannten Cavity Ring Down-Methode auch als Spektrometer eingesetzt werden, die sich durch extrem kompakte Bauweise auszeichnen.
BETEILIGTE ARBEITSGRUPPEN
AG Nichtlineare Quantenoptik
Prof. Dr. Sebastian Hofferberth,
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn
AG Nanophotonik
Prof. Dr. Stefan Linden,
Physikalisches Institut, Universität Bonn
AG Experimentelle Quantenphysik
Prof. Dr. Michael Köhl,
Physikalisches Institut, Universität Bonn
PUBLIKATIONEN
[1] J. Gallego, S. Ghosh, S. K. Alavi, W. Alt, M. Martinez-Dorantes, D. Meschede,
High-finesse fiber Fabry-Perot cavities: stabilization and mode matching analysis
Applied Physics B 122, 47 (2016)
[2] C. Becher, D. Meschede, P. Michler, R. Werner,
Sichere Kommunikation per Quantenrepeater
Physik in unserer Zeit 47, Heft 1, 20 (2016), Verlag Wiley-VCH
[3] M. Steiner, H. M. Meyer, C. Deutsch, J. Reichel, M. Köhl:
Single ion coupled to an optical fiber cavity
Phys. Rev. Lett. 110, 043003 (2013);
see also the Physics Focus story: Optical Fibers Illuminate Single Ion
T. F. Langerfeld, H. M. Meyer, and M. Köhl:
Correlated-photon-pair emission from a cw-pumped Fabry-Perot microcavity
Phys. Rev. A 97, 023822 (2018)
J. Schmitz, H. Meyer, M. Köhl:
Ultraviolet Fabry-Perot cavity with stable finesse under ultrahigh vacuum conditions
Rev. Sci. Instr. 90, 063102 (2019)
F. Rönchen, T. F. Langerfeld and M. Köhl
Correlated photon-pair generation in a liquid-filled microcavity
New J. Phys. 21, 123037 (2019)
P. Kobel, M. Breyer, M. Köhl
Deterministic spin-photon entanglement from a trapped ion in a fiber Fabry-Perot cavity
npj Quantum Information, 7, 6 (2021)
C. Saavedra, D. Pandey, W. Alt, H. Pfeifer, D.Meschede
Tunable fiber Fabry-Perot cavities with high passive stability
Opt. Express 29, 974-982 (2021)
H. Pfeifer, L. Ratschbacher, J. Gallego, C. Saavedra, A. Faßbender, A. von Haaren, W. Alt, S. Hofferberth, M. Köhl, S. Linden, D. Meschede
Achievements and perspectives of optical fiber Fabry–Perot cavities
Appl. Phys. B 128, 29 (2022)
E. Uruñuela, M. Ammenwerth, P. Malik, L. Ahlheit, H. Pfeifer, W. Alt, D. Meschede
Raman imaging of atoms inside a high-bandwidth cavity
Phys. Rev. A 105, 043321 (2022)
A. Ferreri, H. Pfeifer, F. K. Wilhelm, S. Hofferberth, D. E. Bruschi
Interplay between optomechanics and the dynamical Casimir effect
Phys. Rev. A 106, 033502 (2022)
C. Saavedra, D. Pandey, W. Alt, D. Meschede, H. Pfeifer
Spectroscopic Gas Sensor Based on a Fiber Fabry-Perot Cavity
Phys. Rev. Applied 18, 044039 (2022)
L.-M. Needham, C. Saavedra, J. K. Rasch, D. Sole-Barber, B. S. Schweitzer, A. J. Fairhall, C. H. Vollbrecht, B. Mehlenbacher, Z. Zhang, L. Tenbrake, H. Pfeifer, E. R. Chapman, R. H. Goldsmith
Label-free observation of individual solution phase molecules
bioRxiv 2023.03.24.534170 (2023)
L. Tenbrake, A. Faßbender, S. Hofferberth, S. Linden, H. Pfeifer
Direct laser-written optomechanical membranes in fiber Fabry-Perot cavities
Nature Commun. 15, 209 (2024)
K. Krzempek, P. Jaworski, L. Tenbrake, F. Giefer, D. Meschede, S. Hofferberth, H. Pfeifer
Photothermal gas detection using a miniaturized fiber Fabry-Perot cavity
Sens. Act. B 401, 135040 (2024)
S. Gohlke, T. F. Langerfeld, A. Bergschneider, M. Köhl
Coupled high-finesse optical Fabry-Perot microcavities
Phys. Rev. A 109, L011501 (2024)
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