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. ... mehrUm 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.

Quantum computers and quantum sensors, among other quantum technologies, continue to rapidly develop. This results in a great technological need to exchange quantum information between these local systems over long distances. Such quantum networks require efficient quantum network nodes, which allow to efficiently map quantum information onto photons. Optically active defects and dopants in solid state systems are ideal candidates for quantum network nodes, because they can posses a long-lived and coherent spin degree of freedom, as well as coherent optical transitions. ... mehrIn order to make these optical transitions more efficient and thereby achieve high communication rates, they need to be photonically enhanced. This can be achieved by coupling them to fiber-based Fabry-Pérot micro resonators with high quality factors. This work investigates the suitability of ytterbium dopants and defect centers in silicon carbide as quantum network nodes in such a resonator-based geometry.
At the beginning, ytterbium dopants in nanoscale crystals are investigated spectroscopically. They show narrow inhomogeneous ensemble linewidths at cryogenic temperatures. Using saturation spectroscopy techniques, an upper limit for the single ion linewidth of 5 MHz was determined for the first time in this material system. Additionally, it was demonstrated that these nanocrystals can be integrated into a fiber-based resonator in a manner that allows for optical spectroscopy.
Subsequently, the optical properties of ytterbium ions in different organic molecules were characterized. The ions properties were found to differ significantly among each other, depending on the coordinating organic ligands. By a systematic comparison an attempt was made to link these variations to the chemical structure. First correlations were found especially for the non-radiative decay rate.
Finally, experiments were conducted on color centers in silicon carbide inside a cryogenic resonator system. Therefore, a few microns thick silicon carbide membrane was integrated into a fiber-based cavity. The cavity system was characterized carefully and found to be well suited, because only minimal losses were caused by the membrane. Utilizing the high spectral selectivity of the resonator, the coherent transitions of single color centers, verified by the analysis of their photon statistics, could be spectrally resolved. Finally, the Purcell enhancement was determined by a detuning-dependent lifetime measurement. By coupling it to the resonator, the coherent transition of a single color center could be enhanced 13-fold, resulting in a high rate of single, coherent photons.