Ytterbium ions and color centers in silicon carbide as cavity-integrated quantum nodes with near-infrared optical transitions

Quantentechnologien aller Art, wie Quantencomputer und Quantensensoren, entwickeln sich rasant fort. Daraus resultiert ein großes technologisches Bedürfnis, Quanteninformationen zwischen solchen lokalen Systemen über große Distanzen hinweg auszutauschen. Hierfür benötigt man effiziente Quanten-Netzwerkschnittstellen, die es erlauben Quanteninformationen auf Photonen zu übertragen. Optisch aktive Defektzentren und dotierte Ionen in Festkörpern sind ideale Kandidaten für solche Quanten-Netzwerkschnittstellen, da sie sowohl über einen langlebigen und kohärenten Spin-Freiheitsgrad, als auch kohärente optische Übergange verfügen. Um die optischen Übergänge effizient zu machen und auf diese Weise hohe Kommunikationsraten zu erzielen, müssen diese photonisch verstärkt werden. Dies kann durch die Kopplung an faserbasierte Fabry-Pérot Mikroresonatoren hoher Güte erzielt werden. Diese Arbeit untersucht die Eignung von Ytterbiumionen sowie Defektzentren in Siliziumkarbid als Quantennetzwerkschnittstellen in solch einer resonatorbasierten Geometrie. Zu Beginn werden Ytterbiumdotanden in nanoskaligen Kristallen spektroskopisch untersucht. Diese zeigen schmale Ensemble-Linienbreiten bei kryogenen Temperaturen. Mit Hilfe von Sättigungspektroskopie wurde zum ersten Mal für dieses Material eine Obergrenze für die optische Linienbreite eines einzelnen Ions von 5 MHz bestimmt. Zudem wurde gezeigt, dass sich diese Nanokristalle in einen faserbasierten Resonatoraufbau integrieren lassen, der optische Spektroskopie erlaubt. Anschließend wurden die optischen Eigenschaften von Ytterbiumionen in verschiedenen organischen Molekülen charakterisiert. Diese unterscheiden sich teilweise deutlich voneinander. Durch einen systematischen Vergleich wurde versucht, diese Variationen durch die molekulare Struktur zu erklären. Insbesondere für die nichtradiative Zerfallsrate wurden dabei erste Korrelationen gefunden. Schließlich wurden Experimente an Farbzentren in Siliziumkarbid in einem kryogenen Resonatorsystem durchgeführt. Dafür wurde eine wenige Mikrometer dicke Membran aus Siliziumkarbid in einen faserbasierten Hohlraumresonator integriert. Das Resonatorsystem wurde sorgfältig charakterisiert und für gut geeignet befunden, da nur minimale Verluste durch die Membran entstanden. Durch die hohe spektrale Selektivität des Resonator konnten die kohärenten Übergänge einzelner Farbzentren bei kryogenen Temperaturen aufgelöst werden, was durch Analyse der Photonenstatistik verifiziert wurde. Schließlich wurde die Purcell-Verstärkung anhand einer verstimmungsabhängigen Lebenszeitmessung bestimmt. Durch die Kopplung an den Resonator wird der kohärente Übergang eines einzelnen Farbzentrums bis zu 13-fach verstärkt, was zu einer hohen Rate an kohärenten Einzelphotonen führt.