Photonen sind ideale Träger von Quanteninformation. Sie erlauben eine präzise Initialisierung, sind resistent gegenüber durch die Umgebung induzierte Dekoheränz und können mit Hilfe von optischen Glasfaserkabeln über weite Strecken übertragen werden. Dies macht sie zu einer idealen Wahl für Andwendungen in der Quanteninformations und-kommunikationstechnologie.

Das hier vorgeschlagene Projekt wird eine getriggerte Einzelphotonenquelle sowie eine Platform für Quantenoptikexperimente realisieren, indem ein einzelnes Molekül an die geführte Mode einer Nanofaser gekoppelt wird. Als Molekülspezies wird Terrylene in einem P-Terphenyl Hostkristall verwendet. Diese Moleküle sind photostabil, haben bei kryogenen Temperaturen schmale, Lebensdauer-limitierte Nullphotonenlinien und eine hohe Quantenausbeute. Diese P-Terphenyl Nanokristalle werden auf optische Nanofasern aufgebracht. Nanofasern sind der verjüngte Teil einer kommerziellen optischen Glasfaser, dessen Durchmesser kleiner als die Wellenlänge des geleiteten Lichts ist. Ein erheblicher Teil des Lichts kann somit aus der Faser austreten und wird als evaneszentes Feld geführt, welches ein optisches Interface für Moleküle, die man in die Nähe dieses Feldes bringt, bietet. Gegenüber Experimenten mit kalten Atomen hat dieses Festkörpersystem den Vorteil hat, dass ein aufwendiger Aufbau zum Kühlen und Fangen von Atomen nicht benötigt wird.

Das Lichtfeld einer Nanofaser ist stark transversal gebündelt, was eine starke Interaktion zwischen Lichtfeld und einem einzelnen Molekül zur Folge hat. In diesem Projekt wird die starke optische Nichtlinearität gezeigt, die ein auf eine Nanofaser gekoppeltes Molekül, auf Photonen haben kann. Mit solch einer Nichlinearität kann eine Interaktion zwischen Photonen implementiert werden, was ein wichtiges Instrument für optische Quanteninformationstechnologie darstellt. Diese Nichlinearität wird weiter verstärkt, indem man das Einzelmolekül über das Nanofaserinterface an einen Resonator koppelt.

Dieses System ist auch äussert vorteilhaft um eine getriggerte, stabile Einzelphotonenquelle zu realisieren. Trotz vermehrter Forschung im Bereich der Quanteninformationstechnik, die nach effizienten, getriggerten Einzelphotonenquellen verlangt, gestaltet sich deren praktische Umsetzung als schwierig. Dieses Projekt wird zwei solcher faserbasierenden Einzelphotonenquellen implementieren und ihre Ununterscheidbarkeit durch Zwei-Photonen-Quanteninterferenz Experimente messen. Weiters wird eine dieser getriggerten, glasfaserbasierenden Einzelphotonenquellen verwendet werden, um höchst präzise Einzelmolekülspektroskopie unter der Shotrauschgrenze durchzuführen.

Die kleine Grösse der Hostkristalls und die starke Kopplung zwischen Molekülen und Nanofasermoden ermöglichen das Untersuchen von Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen in demselben und verschiedenen Hostkristallen. Diese Interaktionen reichen von Nahfeld Dipol-Dipolkopplung bis zu dem Autausch von diskreten Photonen Wellenpaketen zwischen zwei Quantenemittern. Solche Wechselwirkungen eröffnen eine Fülle an Experimenten in der Nanooptik und für die Implementierung und Kontrolle von Verschränkungszuständen.