Wer sind Sie und an welchem Thema forscht ihre Nachwuchsgruppe?

Mein Name ist Nenad Kralj und ich leite eine Gruppe, die sich mit Quanten-Optomechanik beschäftigt. Die Wechselwirkung zwischen Licht und einem mechanisch nachgiebigen Element ist das Herzstück interferometrischer Messungen von kleinen Verschiebungen und damit auch von interferometerbasierten Gravitationswellendetektoren. Mein Hauptaugenmerk liegt jedoch auf Tischsystemen zur Erzeugung und Kontrolle von Quantenzuständen des Lichts und des mechanischen Objekts durch diese Wechselwirkung. Dies umfasst das Abkühlen der Mechanik auf ihren Quantengrundzustand und die Erzeugung von Quantenverschränkung zwischen den beiden Elementen.

Welcher Forschungsfrage gehen Sie dabei konkret nach?

Das System, das wir derzeit untersuchen, besteht aus einer dünnen Membran aus SiN, die sich in einem optischen Fabry-Pérot-Resonator befindet. Das erste Projekt, an dem wir arbeiten, zielt darauf ab, eine Schwingungsmode dieser Membran ausgehend von Raumtemperatur auf ihren Grundzustand abzukühlen. Dies ist eine große Herausforderung, denn zum einen bedeutet eine Erhöhung der Temperatur (im Vergleich zu einer kryogenen Umgebung), dass eine stärkere optomechanische Kopplung erforderlich ist. Darüber hinaus werden auch die thermischen Hintergrundrauscheffekte relevanter. Beide Gründe erfordern den Einsatz sehr hochwertiger mechanischer Geräte und optischer Resonatoren und wahrscheinlich auch eine systemspezifische Rauschminimierung. Das zweite Projekt ist die Entwicklung eines auf diesem System basierenden Quantenspeichers, dessen Vorzüge ich in meinen Antworten auf die folgenden Fragen erläutern werde.

Was begeistert Sie an dem Thema?

Seit dem Aufkommen der Quantenmechanik hat die schwer fassbare Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen "Welt" das Interesse der Forscher geweckt. Ich meine, wir leben in einer Welt, die von der Quantenmechanik beherrscht wird, und doch würden wir es aufgrund unserer Alltagserfahrung niemals vermuten. Deshalb finde ich die Beobachtung von eindeutig quantenmechanischen und sehr oft kontraintuitiven Merkmalen in klassischen (d. h. "großen", mit dem bloßen Auge sichtbaren) Objekten sehr spannend. Aus einem eher pragmatischen Blickwinkel betrachtet, würden Fortschritte in den beiden oben genannten Projekten einen Meilenstein in der Entwicklung der Quantenkommunikation und der Quanteninformationsverarbeitung darstellen.

Wie hilft Ihr Thema, die Grenzen des Messbaren zu verschieben?

Ein langlebiger Quantenspeicher ist der Grundbaustein für einen Quantenrepeater, der wiederum eine Voraussetzung für die Quantenkommunikation über große Entfernungen oder, wenn man so will, für das Quanteninternet darstellt. Die Möglichkeit, Operationen auf der Ebene einzelner Quanten bei Raumtemperatur durchzuführen, würde die Entwicklung entsprechender Technologien weiter erleichtern, da die Notwendigkeit entfällt, bei kryogenen Temperaturen zu arbeiten.

Natürlich sind diese Ziele in bestimmten (unterschiedlichen) optomechanischen Systemen bereits bis zu einem gewissen Grad erreicht worden. Das membranbasierte System zeichnet sich jedoch sowohl durch eine lange Kohärenzzeit als auch durch ein hohes Maß an Integrierbarkeit aus, was es zu einer leistungsfähigen Plattform macht, um beide Ziele gleichzeitig und mit sehr guter Leistung zu erreichen.

Was macht die Mitarbeit im Exzellenzcluster QuantumFrontiers besonders?

Die Mitarbeit im Cluster bietet mir die Möglichkeit, meine Forschungsinteressen in einem offenen Umfeld zu verfolgen, das reich an unterschiedlichen Fachkenntnissen und Ideen ist. Ich freue mich darauf, mehr mit der Gravitationswellendetektion (GWD) zu tun zu haben, die offensichtlich ein schnell wachsendes Forschungsgebiet ist. Ich erwarte auch, mein Verständnis der Optomechanik zu vertiefen und dabei von einer etwas anderen Perspektive zu profitieren, die in der "Gravitationswellen"-Gemeinschaft vorherrscht. Im Zusammenhang mit GWD geht es um die Entwicklung und Stabilisierung von Hochleistungslasern, aber auch um optische Uhrennetze und Geodäsie, um nur einige Beispiele zu nennen. Insgesamt hoffe ich, zumindest ein wenig Wissen über diese Themen zu erlangen, mein wissenschaftliches Netzwerk zu erweitern und auf diesem Weg einige Freunde zu finden.