Einzel-Photonen-Optomechanik mittels supraleitender Quanteninterferenz

01.01.2023 bis 31.12.2025

Im Forschungsgebiet der Kavitäts-Optomechanik werden mechanische Oszillatoren unterschiedlichster Formen, Größen und Massen durch die Integration in einen elektromagnetischen Resonator und mittels passend eingestrahlter Lichtfelder mit Quanten-begrenzter Genauigkeit detektiert und kontrolliert. Den meisten optomechanischen Systemen ist allerdings bis heute gemeinsam, dass die Einzel-Photonen-Kopplungrate zwischen dem mechanischen und dem elektromagnetischen Freiheitsgrad um Größenordnungen kleiner ist als die das System dominierende Verlustrate. Als Konsequenz konnte bislang weder die intrinsische Quanten-Nichtlinearität des optomechanischen Hamilton-Operators noch die hoch interessanten Kopplungsterme höherer Ordnung wie beispielsweise der quadratische Term in ihrem vollen Potential beobachtet oder genutzt werden.
Mit diesem Projekt sollen die Kopplungsraten in einem optomechanischen System im Mikrowellen-Frequenzbereich nun erstmals so weit erhöht werden, dass sie in voller Quanten-Ausprägung zur Geltung kommen, experimentell untersucht und zur Erzeugung mechanischer Quantenzustände verwendet werden können. Diese dramatische Erhöhung der Einzel-Photonen-Kopplungsrate soll mittels der erst jüngst zum ersten Mal erfolgreich realisierten „Fluss-vermittelten Optomechanik“ (FluvOM) oder SQUID Optomechanik geschehen (SQUID = superconducting quantum interference device). In FluvOM-Systemen wird ein mechanischer Oszillator so in einen SQUID-LC-Schwingkreis integriert, dass die mechanische Auslenkung durch ein externes „Übersetzungs“-Magnetfeld in eine Änderung des magnetischen Flusses im SQUID verwandelt wird. Die Einzel-Photonen-Kopplungsrate ist dabei proportional zum Übersetzungs-Magnetfeld und kann so mit dem externen Feld skaliert werden. Bisherige Realisierungen von FluvOM basierten alle auf Aluminium-Schwingkreisen. Im vorliegenden Projekt soll nun erstmals Niob zum Einsatz kommen, ein Supraleiter mit einer mindestens um eine Größenordnung höheren Magnetfeld-Toleranz. Durch eine gezielte Optimierung der SQUID-Schwingkreise, die Implementierung nicht-trivialer SQUID-Geometrien, sowie durch eine Minimierung des magnetischen Rauschens können so voraussichtlich ausreichend große Kopplungsraten für das optomechanische Einzel-Photon-Regime erreicht werden, sowohl für den linearen Standard-Kopplungsterm als auch für den für gewöhnlich sehr kleinen quadratischen Term. Als Schluss- und Höhepunkt des Projektes soll damit die gezielte Präparation eines mechanischen Quantenzustandes demonstriert werden.
Das Erreichen des mit diesem Projekt anvisierten optomechanischen Einzel-Photon-Regimes könnte eine neue Ära für die Optomechanik einläuten, mit einer Vielzahl von Möglichkeiten für die experimentelle Erforschung der optomechanischen Quanten-Nichtlinearität, für neue optomechanische Quanten-Technologien und für die Untersuchung Gravitations-induzierter Effekte auf Masse-behaftete Quantenzustände.