title: Numerical Simulation of a Quantum Information Node Based on Molecule-Cavity Coupling in Photonic Crystals
Creators: name: Mertin, Paul
Publisher: name: kassel university press
Year: 2024
Subjects: subject: Photonischer Kristall
subject: Simulation
subject: Quantum Information
subject: Licht-Materie Interaktion
subject: Elektromagnetismus
subject: Nano-Optik
subject: photonic crystal
subject: simulation
subject: Finite Element Method
subject: quantum information
subject: light-matter interaction
subject: emitter-cavity coupling
subject: quantum optics
classificationCode: 620
subject: 620
classificationCode: Photonischer Kristall
subject: Photonischer Kristall
classificationCode: Simulation
subject: Simulation
classificationCode: Quanteninformation
subject: Quanteninformation
classificationCode: Licht-Materie-Wechselwirkung
subject: Licht-Materie-Wechselwirkung
classificationCode: Elektromagnetismus
subject: Elektromagnetismus
classificationCode: Nanooptik
subject: Nanooptik
classificationCode: Finite-Elemente-Methode
subject: Finite-Elemente-Methode

description: Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2024
description: <p>Quantum communication and quantum information processing has the potential to revolutionize how information is shared and processed by offering a very high level of security. One of the key building blocks of a quantum communication network are reliable quantum nodes, where quantum information can be stored, processed and
distributed. Nowadays, quantum technology in general is a heavily investigated area of research. Some quantum computation devices were already presented in scientific journals as well as to the public. In these devices a small number of qubits is used. However, these systems have the disadvantage, that they are not easily scalable to larger numbers of qubits. One promising platform to address this issue sre systems based on molecules, as all molecules of a type will exhibit identical level schemes. These molecules need to be coupled to optical resonators, in order to influence and engineer their photon emission properties. In this thesis, these systems will be simulated and studied using numerical methods.
Initially, suitable resonators are designed and optimized. A difficult task is the positioning of a molecule in the resonator. Therefore, there is an emphasis on the coupling properties based on the position of the molecule with respect to the resonator. Resonators based on cavities in photonic crystals have been shown to achieve very high Q-factors. Since this is achieved despite their small size, high Purcell factors and strong coupling are enabled. Here, this platform is investigated for a semiconductor material with phosphorous, which is a less well studied material for photonic crystals. The phosphorous content is needed to enable a connection to the molecule complex.
Moreover, a nano pit is introduced to the cavity and analyzed, which can be shown to improve the Purcell-effect for surface emitters (such as molecule complexes). Furthermore, distribution and read-out of the quantum information in such a system is studied. As photonic crystals are polarization sensitive, time bin encoding (encoding in
time intervals of the photon emission) appears to be the most promising approach. For a single molecule-cavity system suitable electromagnetic pulses and additional system parameters will be calculated and presented. To study a larger network, two such systems are considered in a next step, where the transfer of information from one molecule-cavity system to the next one is simulated. There, parameters for a high transfer probability are found, where the intricate spectrum of the coupled system is taken into account as well.
Once such a system is operated at high temperatures (e.g. above 4K or 50K) additional effects need to be considered. To do so, a phonon model is derived to study temperature influences on the system. On the one hand, phonons have an effect on the decay rate, as they introduce an additional loss path, while on the other hand they enable faster operating speeds and less strict conditions on the tunings of the subsystems (e.g. molecules and cavities).
The results of this thesis show, that a molecular complex coupled to a photonic crystal cavity is a feasible and promising approach for a scalable quantum network.</p>
description: <p>Quanten-Kommunikation und Quanten-Informationsverarbeitung haben das Potenzial die Art, wie Informationen verteilt und verarbeitet werden, zu revolutionieren, da sie ein hohes Maß an Sicherheit bieten. Ein wichtiger Baustein eines Quanten-Informationsnetzwerks sind zuverlässige Quanten-Knoten, in denen die Quanten-
Information gespeichert, verarbeitet und verteilt werden kann. Heutzutage sind Quanten-Technologien im Allgemeinen ein sehr intensiv betriebenes Forschungsfeld. Einige Quanten-Computer sind bereits in wissenschaftlichen Kreisen sowie der Allgemeinheit vorgestellt worden. In diesen Geräten kommen bislang nur eine kleine Zahl von Qubits zum Einsatz. Ein Nachteil dieser Systeme ist die begrenzte Skalierbarkeit zu einer größeren Anzahl an Qubits. Eine vielversprechende Plattform um dieses Problem anzugehen sind molekülbasierte Systeme, da Moleküle eines Types alle ein identisches Energielevelschema haben. Um die Emissionseigenschaften von Photonen
beeinflussen zu können, müssen die Moleküle an optische Resonatoren gekoppelt werden. In dieser Arbeit werden solche Systeme mit Hilfe von numerischen Methoden simuliert und untersucht. Zunächst werden geeignete Resonatoren entworfen und optimiert. Eine Schwierigkeit ist, die Moleküle innerhalb des Resonators korrekt zu positionieren. Daher ist ein Schwerpunkt dieser Arbeit die Kopplungseigenschaften an unterschiedlichen Positionen des Moleküls innerhalb des Resonators zu untersuchen. Resonatoren basierend auf Kavitäten in photonischen Kristallen können sehr hohe Güte-, bzw. Q-Faktoren erreichen. Da sie dies trotz einer kleinen Größe erreichen, werden auch hohe Purcell-Faktoren und eine starke Kopplung möglich. Hier wird ein solches System auf Basis eines Halbleitermaterials mit Phosphoranteil, welches in diesem Zusammenhang noch wenig untersucht ist, betrachtet. Der Phosphoranteil ist nötig um eine mechanische Verbindung zu einem Molekülkomplex zu erzeugen.
Darüber hinaus wird eine Nano-Grube in dem Material eingeführt und untersucht, wobei gezeigt werden kann, dass dadurch der Purcell-Effekt für Oberflächenemitter (wie etwa Molekülkomplexe) verstärkt werden kann. Weiterhin wird die Verteilung und das Auslesen von Quanten-Information betrachtet.
Da photonische Kristalle polarisationsempfindlich sind, erscheint ein Time-Bin-Encoding-Schema (Kodierung in Zeitintervallen der Aussendung von Photonen) bei einem solchen System der vielversprechendste Ansatz zu sein. Geeignete Systemparameter und elektro-magnetische Pulse für ein System aus einem einzelnen Molekül
samt Resonator werden in der Arbeit berechnet und vorgestellt. Um größere Netzwerke zu untersuchen, werden im Folgenden zwei Systeme, die aus einzelnen Molekül-Resonator Systemen bestehen, gekoppelt und die Informationsübertragung vom ersten System zum Zweiten simuliert. Dabei werden Parameter für eine hohe Übertragungswahrscheinlichkeit bestimmt, wobei auch das komplexe Spektrum des gekoppelten Systems untersucht wird. Wenn ein solches System bei höheren Temperaturen (z.B. höher als 4K oder 50K) betrieben wird, müssen zusätzliche Effekte berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird daher ein Modell für Phononen vorgestellt, mit dem der Einfluss der höheren Temperaturen untersucht werden kann. Einerseits beeinflussen Phononen die Zerfallsrate, da sie einen zusätzlichen Verlustkanal darstellen. Andererseits können dadurch auch eine größere Betriebsgeschwindigkeit und weniger strenge Bedingungen für das Einstellen der Frequenzen der Unter-Systeme (z.B. des Moleküls oder des Resonators) erreicht werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Molekülkomplexe, die mit optischen Resonatoren in photonischen Kristallen gekoppelt werden, einen vielversprechenden Ansatz für skalierbare Quanten-Netzwerke darstellen.</p>