Scalable and tuneable optical microcavities for quantum emitters

Abstract

Ein Quantencomputer benötigt eine große Menge von "quantum nodes" für Quantenoperationen und Quantenspeicher. Diese Arbeit präsentiert das erste System, das es erlauben wird eine große Anzahl gleichzeitig ansprechbarer "quantum nodes" auf kleinen Raum zu skalieren. "Quantum nodes" sind Quantenemitter, die über ein Interface ansprechbar sind. Da es für einen "quantum node" essentiell ist, ein empfangenes Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit mit derselben Frequenz wieder emittieren zu können, verwenden wir als Interface Mikroresonatoren, da sie eine effiziente Kopplung zwischen Licht und Materie erlauben als auch, weil sie eine bestimmte Lichtfeldmode aus dem breiten Emissionsspektrum eines Festkörper-Quantenemitter bevorzugen können.<br />Zu diesem Zweck haben wir ein System von skalierbaren und verstimmbaren optischen Glasfaser-basierten Mikroresonatoren designt, gefertigt und sowie mechanisch als auch optisch charakterisiert. Für die Skalierbarkeit und die Frequenz-Abstimmbarkeit des Mikroresonatorsystems wird einer der Spiegel jedes optischen Resonators auf einen elektrostatisch auslenkbaren Balken, der separat elektrisch ansteuerbar ist, auf einen Silizium-Chip gefertigt. Das erlaubt es jeden einzelnen Mikroresonator auf deren Quantenemitter-Übergang einzustellen.<br />Die Glasfasern ermöglichen es die "quantum nodes" auf kleinen Raum gleichzeitig anzusprechen.<br />Wir werden zeigen, dass wir mit unserem System eine Reihe von 12 Mikroresonatoren "gleichzeitig" mit einer festen Laserfrequenz stellvertretend für eine Quantenemitter-Übergang in Resonanz bringen können, und für diese feste Laserfrequenz durch verstimmen der Resonatorlänge von einer optischen Resonanz zur nächsten kommen können.<br />Als mögliche zukünftige Anwendungen wird die Performance unseres Mikroresonatorsystems in Kombination mit Rubidium-Atomen und Stickstoff-Fehlstellenzentren (Nitrogen-Vacancy (NV) centre) im Diamant betrachtet und ein Ausblick für realistisch erreichbare Ausleseeffizienzen und Kooperativitäten zwischen Quantenemitter und Resonator bei verbesserter Reflektivität der Spiegel gegeben.<br />

A quantum computer requires a vast amount of quantum nodes for quantum operation and quantum storage. This thesis presents the first system that will be able to scale high numbers of simultaneously accessible quantum nodes to a small volume. Quantum nodes are quantum emitters that are accessible via an interface.<br />For quantum nodes it is essential to emit a received photon with high probability and low loss into the same frequency.<br />Therefore we use microcavities as optical interface that allows efficient coupling between light and matter, as well as that microcavities are able to favour a certain frequency mode from the broad emission spectrum of a solid-state quantum emitter. For this purpose we designed and characterised a scalable and tunable fibre-based microcavity system that allows tuning separately each microcavity to a quantum emitter transition and accessing simultaneously to each quantum emitter via optical fibre. For scaling and tunability one cavity mirror is fabricated on electrostatically deflectable cantilevers on a silicon chip.<br />For future application we consider the theoretical performance of our system combined with rubidium atoms as well as with nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond. Concluding we estimate the realistic out-coupling efficiency of photons and the cooperativites between quantum emitter and cavity of such quantum nodes for improving the reflectivity of the mirrors with common methods.<br />