Projektträger: DFG

Budget: 247,350€

Zusammenfassung: Das Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, welches erst in den vergangenen Jahrzehnten entstand, beschäftigt sich mit der Fragestellung, inwieweit die Verwendung von quantenmechanischen Effekten beim Speichern, Verarbeiten und Übertragen von Informationen in inhärent quantenmechanischen Systemen zu neuen Phänomenen, Funktionalitäten und Apparaturen führen kann. Quanteninformationsverarbeitung ist einerseits in der Grundlagenforschung fest verankert, andererseits spielt es eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien. Photonische Quantensysteme weisen eine Reihe von Vorteilen auf, die von geringer Dekohärenz bis zu quantenmechanischer Kontrollierbarkeit einzelner Teilchen und hoher Mobilität reichen. Mit Lasern geschriebene integrierte photonische Wellenleiter bieten eine einzigartige Möglichkeit, komplexe und stabile Quanteninformationsprozesse mit unerreichter Flexibilität zu implementieren. So wurden kürzlich nicht-Abelsche geometrische Phasen erfolgreich erzeugt, die nicht-Abelschen synthetischen Eichfeldern entsprechen. Solche Phasen sind überaus wichtig für topologisches Quantencomputing, nicht-Abelsche Anyonenstatistik sowie die Quantensimulation von Yang-Mills-Theorien. Die Idee unseres Projektes ist die Implementierung photonischer nicht-Abelscher U(N)-Holonomien in integrierten Wellenleiterarchitekturen. Unsere Vision ist die Etablierung einer Grundlage für neuartige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung im Rahmen des "noisy intermediate-scale quantum (NISQ) processing". Im Einzelnen wird unser Projekt (1) die theoretischen Grundlagen sowie die experimentelle Demonstration einer U(3)-Holonomie mit zwei ununterscheidbaren Photonen in einem Netzwerk mit gekoppelten Moden liefern, in dem Biegungsverluste optimiert wurden, (2) einen konzeptuellen Rahmen für nicht-orthogonale und nicht-adiabatische Zustandsevolution entwickeln und demonstrieren, der es erlaubt, größere entartete Eigenräume wie eine U(4)-Holonomie mit zwei Photonen zu erreichen, und (3) verschiedene holonome Quantengatter implementieren und holonome quanteninformationsprotokolle experimentell demonstrieren. Die Stärke unseres Projekts resultiert aus der Kombination zweier fruchtbarer Forschungsrichtungen: der Manipulation von Mehrphotonenzuständen sowie integrierter optischer Netzwerke. Damit können grundlegende Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung untersucht werden, die einerseits für die Grundlagenforschung, aber andererseits auch für Anwendungen der Photonik wichtig sind.

Projektträger: DFG, Sonderforschungsbereiche

Budget: 890,400€

Zusammenfassung: Projekt W02 hat die Erforschung bisher unzugänglicher exzitonischen Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDCs) mittels maßgeschneiderter oberflächennaher Wechselwirkungen auf lasergeschriebenen optischen Substraten zum Ziel. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse und technologischen Fähigkeiten werden im weiteren Verlauf dazu dienen, TMDC-beschichtete Wellenleiter hinsichtlich ihrer erhöhten optischen Nichtlinearität sowie der nicht-Hermiteschen Dynamik ihrer Absorptions- und Emissionseigenschaften zu charakterisieren. Unsere Forschung wird somit den Grundstein dafür legen, 2D-Materialien als funktionale Elemente in einer neuen Klasse photonischer Schaltkreise einzubinden.

Projektträger: DFG, Sonderforschungsbereiche

Budget: 534,400€

Zusammenfassung: Im Projekt W01 untersuchen wir fundamentale Fragestellungen zu topologischen Eigenschaften von Quantensystemen und photonischen Strukturen sowie stark getriebenen wechselwirkenden Mehrteilchensysteme, wie sie z.B. bei der Interaktion intensiver Laserstrahlung mit Materie auftreten. Mit unseren theoretischen und experimentellen Methoden gehen wir der Frage nach, wie topologische Invarianten in nichtlinearen Systemen definiert werden können, und was die Charakteristiken der topologischen Randzustände in wechselwirkenden oder nichtlinearen Systemen sind. Darüber hinaus erforschen wir, wie sich topologische Invarianten und aus ihnen abgeleitete Eigenschaften bei der Übertragung auf andere Dimensionen verhalten. Mit unseren Ergebnissen werden wir den Weg zur Untersuchung von Multielektronendynamik auf photonischen Plattformen ebnen.

Projektträger: DFG

Zusammenfassung: Das Internationale Graduiertenkolleg (Canadian and German IRTG Coordination and Organization Agency) führt die Forschungsgebiete Quantenoptik, ultraschnelle Elektronendynamik und elektronische Kohärenz zusammen, um innovative Konzepte in der Telekommunikation sowie der Daten- und Bildverarbeitung zu entwickeln. Quantentechnologie macht sich nicht-klassische Effekte zunutze, um Informationen zu speichern, zu verarbeiten und zu übertragen. Das führt zu neuartigen Phänomenen, Konzepten und Funktionalitäten.

Graduiertenkollegs bieten Doktorandinnen und Doktoranden die Möglichkeit, in einem umfassenden Forschungs- und Qualifizierungsprogramm auf höchstem fachlichem Niveau zu promovieren.

Projektträger: Chinesisch-Deutsches Zentrum für Wissenschaftsförderung

Budget: 95,294€

Zusammenfassung: Als neues Forschungsgebiet erfährt die topologische Photonik in letzter Zeit zunehmende Aufmerksamkeit.  Topologische Zustände des Lichts bieten einen neuartigen Weg für den robusten Transport von Licht ohne Rückstreuung, selbst bei Vorhandensein von Unordnung oder Defekten.  Bislang wurden topologische Phänomene vor allem in linearen topologischen Strukturen untersucht, wobei man sich weitgehend an Konzepten orientierte, die in Festkörpersystemen entwickelt wurden. Das komplexe Zusammenspiel von Nichtlinearität und Topologie lässt jedoch eine Vielzahl neuer fundamentaler Phänomene vermuten, die in elektronischen Systemen nur schwer beobachtbar oder gar gänzlich unzugänglich sind.  In diesem gemeinsamen Projekt untersuchen wir nichtlineare topologische Phänomene in periodischen Strukturen auf der Grundlage von photonischen Gittern, erforschen nichtlinearitätsinduzierte topologische Phasenübergänge sowie topologisch geschützte nichtlineare Randzustände (Solitonen) und deren Wechselwirkungen, und erforschen nichtlineare topologische Phänomene in photonischen Gittern, die durch Paritäts-Zeit-Symmetrie vermittelt werden.

Projektträger: Europäische Union

Budget: 325,000€

Zusammenfassung: Das Ziel dieses Projekts ist die Bereitstellung einer Grundlagentechnologie, mit welcher quantenmechanische Probleme mittels kompakten Bauteile bei Umgebungstemperatur simuliert werden können. Dazu werden wir einen dreidimensionalen integrierten Quantensimulator entwickeln, in welchem ein optischer Schaltkreis zur Erzeugung der Quanteninterferenz, eine Photonenquelle, sowie eine Struktur zur Erzeugung der Qubits zusammen mit einer Anordnung von Einzelphotonendetektoren monolithisch integriert sind. Eine Quantensoftware soll die Simulationsergebnisse aus der Hardware dieses Systems extrahieren und verarbeiten. Forschungsgruppen aus ganz Europa bilden das Konsortium, mit umfassender Expertise in Materialwissenschaft, Messtechnik, Mikrofabrikation, Quantenoptik, Spektroskopie und Informationstechnologie.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Budget: 220,000€

Zusammenfassung: In der Quantenphysik beeinflusst die Wechselwirkung mit der Umgebung die solch fundamentale Eigenschaften wie Quantenkohärenz, Quantenverschränkung und Quantenkorrelationen. Tatsächlich ist diese Anfälligkeit der Quantenkohärenz eines der Haupthindernisse bei der Entwicklung quantenbasierter Technologien. In diesem Sinne ist die Identifizierung von Mechanismen zur Verhinderung oder Verlangsamung von Dekohärenzeffekten in Quantensystemen eine Frage von sowohl wissenschaftlicher als auch praktischer Bedeutung. Ziel unseres Projekts ist es, das Verhalten mehrerer wechselwirkender Teilchen zu untersuchen, die durch dynamisch ungeordnete Quantensysteme propagieren. Unsere Untersuchungen werden das grundlegende physikalische Verständnis komplexer Quantensysteme signifikant erhöhen. Darüber hinaus wird unsere Arbeit potentielle Anwendungen der Quantendekohärenz identifizieren, welche im Rahmen kontrollierter photonen-kodierter Informationsübertragung sowie Vielteilchenkorrelationen eine wichtige Rolle spielen. Alle unsere theoretischen Ergebnisse werden durch Experimente in integrierten quantenoptischen Wellenleitersystemen getestet.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Budget: 200,000€

Zusammenfassung: Das Ziel unseres Projekts ist das Verständnis und die Kontrolle von Quanten-Random-Walks (QRWs) korrelierter und verschränkter Photonen in verschiedenen Gittergeometrien zu fördern, um damit eine Basis für neue chip-basierter Anwendungen in den Feldern Quantensimulation und –computing zu schaffen. Dabei ist Wissen über fundamentale Aspekte des Quantentransports essentiell, um eine Vielzahl an Phänomenen in der Natur, wie z. B. Photosynthese, zu verstehen. In diesem Zusammenhang kann durch die Steigerung der QRW-Komplexität auf dreidimensionale Gittergeometrien eine völlig neue Klasse von Netzwerken untersucht werden. Neben der Möglichkeit komplexe Quantensysteme zu implementieren werden auch Quantensuchalgorithmen realisierbar, was zu einem enormen Aufschwung auf dem Gebiet des Quantencomputings führen wird. Da das gesamte Projekt auf Wellenleitergitter fundiert, profitiert es von den Vorteilen chip-basierter quantenoptischer Einheiten. Die herausragende Stabilität und Robustheit erlauben es, neuartige Netzwerke für photonische QRWs zu designen, die mehrere Größenordnungen kleiner sind als herkömmliche Linsen- und Spiegelsysteme auf optischen Tischen, die mit höherer Effizienz und Güte arbeiten, und die wesentlich weniger Ressourcen für ihre Implementierung erfordern.

Projektträger: Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Stiftung

Budget: 1,000,000€

Zusammenfassung: Als einer der bedeutendsten und am höchsten dotierten Forschungspreise wird der Alfried Krupp Forschungspreis seit 1996 jährlich an junge Professoren verliehen, die an deutschen Universitäten in den Natur- und Ingenieurwissenschaften tätig sind. Der Preis hat zum Ziel, die Arbeitsbedingungen der Geförderten zu verbessern und ihre Tätigkeit in Forschung und Lehre voranzutreiben.

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft und das Land Mecklenburg-Vorpommern 

Budget: 500,000€

Zusammenfassung: Die hochintensiven Lichtpulse dieses Lasersystems erlauben das hochgenaue Einbringen von Energie in das Volumen transparenter Materialien. Dies stellt die Grundlage für das Einschreiben komplexer dreidimensionaler photonischer Wellenleiterstrukturen dar. Solche „Leiterbahnen für Licht“ sind für verschiedene Forschungsgebiete der AG Festkörperoptik von Bedeutung, z.B. die komplexe raumzeitliche Dynamik von Solitonen und so genannten „light bullets“. In „photonischen Gittern“ kann Licht zum Steuern und Schalten optischer Signale eingesetzt werden und somit langsame, konventionelle elektronische Bauteile ersetzen. Darüber hinaus wird das Lasersystem die Erforschung der Entstehungsprozesse laserinduzierter Materialmodifikationen mittels schneller Pump-Probe-Messungen durch präzise synchronisierte hoch- und niederenergetische Pulse ermöglichen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden der Prozessoptimierung des Wellenleiterschreibens dienen, die Palette der dazu kompatiblen Wirtsmaterialien erweitern und somit den Grundstein für die nächste Generation funktionalisierter optischer Schaltkreise legen.
 

Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Budget: 200,000€

Zusammenfassung: Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Erforschung von Wellenleiterarchitekturen zur kohärenten Übertragung von Informationen als Basis für neuartige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung. Dabei werden wir uns mit (i) der Erzeugung und Übertragung von Eigenzuständen periodisch getriebener Gittersysteme, (ii) der Projektion maßgeschneiderter Anregungen auf die Eigenzustände des Systems, und (iii) dem Transport verschränkter Mehrphotonenzustände in verlustbehafteten integriert-optischen Neztwerken befassen. Kern unseres Forschungsvorhabens ist damit ein neuartiger Ansatz zur Quanteninformationsübertragung. Die Nutzung von Eigenzuständen erlaubt prinzipiell die verzerrungsfreie Ausbreitung über beliebige Distanzen. Neben grundlegenden Erkenntnissen über die Manipulation optischer Quantenzustände in integrierten Systemen werden unsere Ergebnisse in technologische Anwendungen einfließen. Vor diesem Hintergrund werden experimentelle Arbeiten in enger Verknüpfung mit theoretischen Untersuchungen durchgeführt und erlauben so die systematische Optimierung der Funktionalitäten.

Projektträger: Europäische Union und das Land Mecklenburg-Vorpommern

Budget: 60,000€

Zusammenfassung: Die polarisationsverschränkte Photonenpaarquelle der Firma OZ Optics kommt für die holistische Charakterisierung der Doppelbrechung lasergeschriebener Wellenleitersysteme zum Einsatz. Die Anwendungsbereiche der Photonenpaarquelle liegen u.a. in der präzisen Feinabstimmung von maßgeschneiderten quantenoptischen Schaltkreisen, der Kalibration neuartiger Sensorsysteme auf Basis integriert-optischer Wellenleiter, und der systematischen Erweiterung der mit ihnen zugänglichen Verschränkung von Photonen.

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Projektträger: Europäische Union und das Land Mecklenburg-Vorpommern

Budget: 60,000€

Zusammenfassung: Die fasergekoppelte Hochleistungs-Weißlichtquelle der Firma NKT kommt für die holistische Charakterisierung der optischen Eigenschaften lasergeschriebener Wellenleitersysteme mit hoher spektraler Auflösung und Bandbreite zum Einsatz. Als „Leiterbahnen für Licht“ stellen funktionalisierte Wellenleitersysteme die grundlegenden Bestandteile integriert-optischer Schaltkreise dar. In Kombination mit im Vorfeld präzise charakterisierten laserinduzierten Mikro- und Nanostrukturen zur maßgeschneiderten Anpassung der lokalen optischen Eigenschaften des Trägermaterials werden so die verschiedenen Freiheitsgrade von Photonen für klassische und quantenoptische on-chip Anwendungen erschlossen.

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Projektträger: Europäische Union und das Land Mecklenburg-Vorpommern

Budget: 53,000€

Zusammenfassung: Die Beschaffung eines hochpräzisen Positioniersystems erlaubt die Etablierung neuer Forschungsrichtungen im Gebiet der Mikromaterialbearbeitung mittels ultrakurzer Laserpulse an der Universität Rostock. Das System erlaubt eine nanometergenaue und stabile Positionierung einer Probe bezüglich des Ultrakurzpuls-Laserstrahls, welche für eine hochpräzise Modifikation des Materials unerlässlich ist. Über das Strukturieren und Schweißen selbst hochempfindlicher Werkstücke hinaus erlaubt der Einsatz eines solchen hochpräzisen Positioniersystems die Realisierung von integrierten laserinduzierten Wellenleitern in transparenten Materialien. Als „Leiterbahnen für Licht“ stellen diese die grundlegenden Bestandteile integriert-optischer Schaltkreise dar. In Kombination mit maßgeschneiderten und hochgenau positionierten laserinduzierten Mikro- und Nanostrukturen werden so die verschiedenen Freiheitsgrade von Photonen für klassische und quantenoptische on-chip Anwendungen erschlossen.

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Projektträger: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Budget: 420,000€

Zusammenfassung: Herz dieses Projekts ist der Einsatz von Quantensimulatoren zur Realisierung topologischer physikalischer Effekte, die in anderen Systemen nicht oder nur schwer zugänglich sind. Ein Beispiel hierfür ist der „topologische Anderson-Isolator“: ein System, das unter dem Einfluss von Unordnung eine quantisierte Kantenleitfähigkeit ausbildet. Neben der ersten Realisierung eines solchen Systems werden wir untersuchen, ob sich entgegen der gegenwärtig vorherrschenden Sichtweise in Systemen mit speziellen Verteilungen von Verstärkung und Dämpfung nicht-Hermitische und PT-symmetrische Randzustände ausbilden können, die dennoch topologisch geschützt sind. Darüber hinaus werden wir uns mit der Emulation nichtrelativistischer Wellendynamik beschäftigen, die weit über bestehende experimentelle Möglichkeiten hinausgeht: Klein-Tunneln, gravitative Rot- bzw. Blauverschiebung und Gezeitenkräfte. Kritische Punkte in Vielteilchensystemen dienen als Ansatz zur Beobachtung „Higgs“-artiger Moden in variablen Dimensionen.