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Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Nichtlineare Quantenoptik

Arbeitsgruppe Nichtlineare Quantenoptik

23.11.2016 - Die nächste Stufe der Quantenfrequenz-Konvertierung

Das Paper "Ramsey Interference with Single Photons", an dem Sven zusammen mit Stephane, Alessandro und Alex während seinder Zeit an der Cornell University gearbeitet hat, wurde heute in den Physical Review Letters [1] veröffentlicht. Phillip Treutlein hat hierzu einen sehr schönen Einstiegspunkt [2] verfasst, der die Hintergründe anschaulich erläutert. (THX!)

Normalerweise wird Quantenfrequenz-Konvertierung eingesetzt um (kohärente) Photonen möglichst vollständig von einer Frequenz in eine andere zu transferrieren. Hierfür gibt es verschiedene Anlässe, zum Beispiel um die Detektionseffizienz zu erhöhen oder um Photonen ins Telekom-Band zu konvertieren, wo sie optimal durch optische Leiter geführt werden.

Aber was genau passiert, wenn man exakt "mittendrin" im Konvertierungsprozess stoppt? Quantenmechanisch landet man bei einem Überlagerungszustand eines Einzelphotons, dass sich in zwei Energiezuständen befindet. Das ist irgendwie spannend und cool. Aber wie beweist man, dass man tatsächlich einen echten (kohärenten) Überlagerungszustand hat? Und ist das vielleicht sogar für irgendetwas nützlich?

Für andere Quantensysteme (wie den Spin von einzelnen Elektronen, einzelnen Atomen/Ionen...) sind solche überlagerten Energiezustände zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand (des Elektrons) längst bekannt. Eine Möglichkeit, sie zu erzeugen, ist das Anlegen eines sogenannten Pi/2-Pulses. Indem man dem System die Möglichkeit zur freien Entwicklung gibt (wobei eine Phasenänderung aufgenommen wird) und man direkt danach einen weiteren Pi/2-Puls hinzufügt, erzeugt man ein sogenanntes Ramsey Interferometer. Und diese Art des Quanteninterferometers ist weit verbreitet in einer Vielzahl von Anwendungen.

Um also zu zeigen, dass wir tatsächlich einzelne Photonen in einem echten quantenmechanischen Überlagerungszustand von zwei Farben erzeugen können und dies auch irgendwo Anwendung finden kann, wollten wir zum ersten Mal Ramsey Interferenz mit einzelnen Photonen erzeugen. Technisch besteht dabei die Herausforderung darin, dass die Quantenfrequenz-Konvertierung derart präzise sein muss, dass man zwei Konvertierungen kaskadieren und eine kontrollierbare Phasenänderung dazwischen implementieren kann. Und genau das ist uns gelungen.
Nebenbei bemerkt gibt es in allen "traditionellen" Ramsey Schemata immer auch die Möglichkeit, dass der Überlagerungszustand aus Grundzustand und angeregtem Zustand spontan in den Grunzustand kollabiert wegen der Kopplung zum elektromagnetischen (Vakuum-)Feld. Für Photonen, die selbst die Quanten des elektromagnetischen Feldes darstellen, existiert dieser Zerfallskanal nicht; das zeichnet sie ganz fundamental aus.

[1] Stéphane Clemmen, Alessandro Farsi, Sven Ramelow, and Alexander L. Gaeta, "Ramsey Interference with Single Photons", Physical Review Letters 117, 223601 (2016)

[2] Philipp Treutlein, "Photon Qubit is Made of Two Colors" (2016)

22.11.2016 - Ankündigung offener Stellen

Wir bereiten gerade die Ausschreibung für hervorragende PhD und Posdoc Kandidaten in experimenteller Quantenoptik vor, zu experimentellen Forschungsthemen im Bereich der Quanten-Abbildungsverfahren und Quanten-Spektroskopie im mittleren Infrarot. Ein besonderer Fokus wird sowohl in der Erschließung von konkreten Anwendungen im biomedizinischen Bereich liegen, als auch grundlegend zu erforschen und experimentell zu demonstrieren, wie fundamentale Grenzen der klassischen Optik durch quantenoptische Methoden überwunden werden können.

Die Forschungsarbeiten werden in der neuen Arbeitsgruppe vom Emmy Noether Fellow Dr. Sven Ramelow geleitet. Er hat einen breite Erfahrungen in der Quantenoptik mit einzelnen Photonen sowie ein breites Netzwerk von internationalen Kollaborationen. Daher wird es für alle Gruppenmitglieder die Möglichkeit geben Teile der Forschungsarbeiten auch in international renommierten Arbeitsgruppen im Ausland auszuführen.

Das Institut für Physik an der Humboldt-Universität zu Berlin, mit seinem starken Fokus auf Optik und Photonik bietet exzellente Bedingungen für die angestrebte Forschung. Es gibt mehrere Arbeitsgruppen die einen engen thematischen Bezug haben, wie z.B. die Arbeitsgruppen Nanooptik (Prof. Oliver Benson) sowie die Arbeitsgruppe Optische Metrologie (Prof. Achim Peters) und mit denen eine enge Kollaboration bezüglich gemeinsam genutzter Geräte und gemeinsamen Labors und Büros. Dadurch einsteht eine lebendige und diverse Arbeitsumgebung.

Weiterhin bietet die Stadt Berlin urbanes Lebensgefühl mit internationalem Charakter, aber dennoch erschwinglichen Lebenshaltungskosten.

Für die PhD-Position ist ein abgeschlossener (oder kurz davor) Master (oder äquivalent) mit exzellenten Noten erforderlich.  Generell werden eine hohe Motivation zu eigenständiger, effektiver Arbeit und Teamwork, sowie fließende Englischkenntnisse erwartet. Für die PhD-Position sind Erfahrungen in der experimentellen Arbeit in einem optischen Labor, sowie Vorerfahrungen auf dem Gebiet der biomedizinischen Bildgebung oder in der Spektroskopie von Vorteil. Für die Postdoc-Position wird Erfahrung in der biomedizinischen Bildgebung vorausgesetzt.

Bei Interesse, auch für weiterführende Informationen (nähere thematischen Informationen, relevante Publikationen, offizieller Ausschreibungstermin), bitte eine email an sven.ramelow@physik.hu-berlin.de inklusive eines Motivationsschreibens, einem kurzen Lebenslauf und der Angabe von zwei bis vier Betreuern, an die man sich ggf. für Empfehlungsschreiben wenden könnte.

05.10.2016 - Start der Arbeitsgruppe Nichtlineare Quantenoptik

Dr. Sven Ramelow wird als Emmy-Noether-Fellow ab Herbst dieses Jahres seine Gruppe zum Thema "Quanten-Bildgebung und Spektroskopie im Mittleren Infrarot" am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin etablieren. Er war zuvor an der Universität Wien (Österreich) und der Cornell Universität (NY, USA) zu experimentellen Themen der nichtlinearen Quantenoptik mit einzelnen Photonen tätig. Das erste zentrale Ziel der Arbeitsgruppe wird es sein, quantenoptisch basierte Bildgebung und Spektroskopie im technologisch hochrelevanten mittleren Infrarot erstmalig umzusetzen und als Methode zu etablieren. Ein besonderer Fokus wird sowohl in der Erschließung von konkreten Anwendungen im biomedizinischen Bereich liegen, als auch grundlegend zu erforschen und experimentell zu demonstrieren, wie fundamentale Grenzen der klassischen Optik durch quantenoptische Methoden überwunden werden können.

(Quelle: Institut für Phsyik)