ORQUID

Unsere Gesellschaft ist auf sichere Kommunikationswege, mächtige Rechner und präzise Sensoren angewiesen. Diese Technologien können drastisch verbessert werden wenn darin viele Quantenobjekte koordiniert eingesetzt werden. Dadurch lassen sich Datenmengen physikalisch sicher speichern und verarbeiten, sowie Präzisionsmessungen von Kräften und Feldern durchführen. Einzelne Quanten – Photonen, Elektronen und Phononen – stellen bereits neue Funktionalität bereit. Um solche Quantentechnologien jedoch erfolgreich einsetzen zu können, ist es notwendig einzelne Quantensysteme miteinander zu verbinden – auf skalierbare und effiziente Art und Weise.

Im ORQUID Projekt sollen einzelne organische Moleküle als Schnittstelle zwischen den obigen drei Arten von Quanten verwendet werden. Als erstes Ziel sollen Einzelmoleküle mit Licht in Wellenleitern und Kavitäten interagieren, um einzelne Photonen zu erzeugen und zu detektieren. Als zweites Ziel sollen Einzelmoleküle bewegliche Ladungsträger in nanoelektronischen Schaltkreisen detektieren, um so koheränten Informationsaustausch zwischen Ladungen und der Umgebung zu erlauben. Als drittes Ziel sollen Moleküle, die in nanomechanische Bauteile und zweidimensionale Materialien eingebettet werden, nanoskalige Kräfte und Auslenkungen messen. Die Entwicklung dieser drei Schnittstellen auf einer gemeinsamen Plattform ermöglicht so hybride Quantensysteme mit hoher Flexibilität.

Das internationale Verbundvorhaben zur Entwicklung hybrider Quantensysteme adressiert die Anforderung des QuantERA Programms interdisziplinäre Forschung mit hohem Potential für die Quantentechnologien in Europa weiter zu entwickeln, um diese somit zu einer weltweiten Schlüsselposition führen zu können.

An der WWU soll die optische Plattform implementiert werden, welche für die Messung der Hybridsysteme notwendig ist. Skalierbare Methoden der Nanofertigung sollen die simultane Herstellung viele Komponenten ermöglichen. Dies ist eine zentrale Herausforderung der Quantenphotonik. Welche das Verbundvorhaben angeht. Außerdem sollen im Laufe des Projekts geeignete Geometrien für Einzelphotonenquellen auf Wellenleiterbasis und deren Charakterisierung mittels chipbasierter Komponenten entwickelt werden.

Aufbauend auf der Fertigung geeigneter Chips soll deren Funktionalisierung mit Einzelmolekülen oder 2D Materialien erfolgen. Ein elementarer Baustein des Projekts wird die Herstellung von Arrays von Einzelphotonenquellen darstellen, welche identische Photonen liefern. Diese sollen mit chipbasierten Einzelphotonendetektoren charakterisiert werden. Damit werden alle für die lineare Quantenoptik notwendigen Komponenten auf einem Chip vereint.

Ein hybrider Integrationsansatz erlaubt es im Vergleich zu monolithischen Plattformen individuelle Komponenten separat zu optimieren und zu fertigen. Damit können unterschiedliche Materialien besser aneinander angepasst werden. So sind z.B. für organische Materialien hohe Temperaturen kritisch, für die Herstellung supraleitender Schichten sind sie hingegen notwendig. Durch die hybride Integration kann die Funktionalisierung mit organischen Materialien nach der Herstellung der supraleitenden Schaltkreise erfolgen. Das überwindet eine weitere große Herausforderung der integrierten Quantenoptik.