Menno Poot neuer Professor für Quanten-Technologien

Forschung in der Arbeitsgruppe Poot

Die Quantenmechanik etablierte sich am Anfang des 20. Jahrhunderts. Seither wurden viele interessante Phänomene untersucht und quantenmechanisch erklärt, wie zum Beispiel die Spektren der Atome, elektronische Eigenschaften von Festkörpern bis hin zu intrinsisch sicherer Kommunikation und der Entwicklung von Quantencomputern. Der Mechanik-Teil der Quantenmechanik kommt in der Forschung jedoch eher zu kurz.

Prof. Menno Poot – Photo: Andreas Heddergott / TUM

Menno Poot möchte das ändern und die Mechanik der Quantenmechanik neu entdecken. Er erzeugt winzige bewegliche Strukturen, also mechanische Resonatoren, die so stark gekühlt werden, dass sie in ihrem quantenmechanischen Grundzustand sind. Somit zeigen sich an den Resonatoren Quanteneffekte. Daran lassen sich also grundlegende Fragen zum Übergang von der klassischen zur Quanten-Welt untersuchen. Es ist klar, dass kleine Systeme, wie einzelne Atome, den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, aber es ist genauso klar, dass sich die makroskopischen Gegenstände um uns herum mit klassischen Gesetzen beschreiben lassen. Ist “Dekohärenz” die alleinige Ursache für diese Unterschiede oder spielt die Masse des Resonators eine wichtige Rolle? Die Forschung an mechanischen Resonatoren liefert neue Erkenntnisse zu diesen faszinierenden Fragen.

Es gibt eine Reihe von unterschiedlichen Zugängen zu Quanteninformationen, einem weiteren Forschungsfeld der Arbeitsgruppe. Zum Beispiel gibt es beeindruckende Fortschritte auf dem Gebiet der Quantencomputer mit supraleitenden Schaltkreisen. An anderer Stelle gelang jüngst die Teleportation von optischen Photonen über große Entfernungen. In einer Vision für die Zukunft könnten Wissenschaftler komplexe Quantenzustände in einer Apparatur vor Ort präparieren und diese Zustände dann zu einem anderen Ort transferieren. Supraleitende Qubits sind geeignet für das Präparieren, wohingegen Photonen den weiträumigen Transport übernehmen könnten. Leider wechselwirken diese beiden Systeme nicht direkt und daher benötigt man eine Schnittstelle. Mechanische Resonatoren kann man an fast alles ankoppeln, auch an die beiden erwähnten Systeme. Mit dem richtigen Design könnte ein nahtloser Transfer zwischen lokalisierten und “fliegenden” Qubits gelingen.

Die Bauelemente, die Menno Poot bislang entwickelt hat, dienen grundlegenden optomechanischen Experimenten. Er hat dann jedoch herausgefunden, dass sie sich auch zur optischen Phasenverschiebung nutzen lassen. Dieses Vorgehen ist charakteristisch für Menno Poot, da er sich sowohl für die Wissenschaft als auch für Technologie interessiert. Die Verwendung dieser Bauelemente zur Phasenverschiebung ist Voraussetzung für das zweite Forschungsgebiet: Integrierte Quantenoptik. Weltweit gibt es bereits zahlreiche Experimente auf diesem dynamischen Forschungsfeld. Solche Experimente bestehen aus zahlreichen Komponenten wie Linsen, Strahlteilern und Spiegeln, die momentan immer noch mittels handfester optischer Bauteile auf großen und damit teuren optischen Tischen realisiert werden.

Menno Poot plant, seine Erfahrung in integrierter Photonik zu nutzen, um diese experimentellen Aufbauten auf Halbleiter-Chips zu übertragen. Er realisiert bereits Chips auf denen Quanten-Licht – also einzelne Photonen – erzeugt, weiter geleitet und detektiert werden. Diese Chips beinhalten supraleitende Einzel-Photon-Detektoren und die optomechanischen Phasenschieber erlauben flexible Modifikationen. Damit kann man beliebige Ausgangszustände der Qubits präparieren, die dann in-situ auf dem Chip ausgelesen werden. Neben der inhärenten Robustheit dieser “Quantensysteme-auf-einem-Chip” erlaubt dieser integrierte Ansatz auch eine Skalierung der Quantenoptik-Experimente – zumindest räumlich (im Vergleich zu den optischen Tischen der konventionellen Aufbauten).

Die Arbeitsgruppe von Menno Poot forscht auf vielfältigen Bereichen:

• Grundlagenforschung
• Materialwissenschaften für die Entwicklung der besten optischen und mechanischen Nano-Baugruppen
• Bewältigung der Herausforderungen für die Nano-Strukturierung

Er freut sich auf künftige gemeinsame Forschungsprojekte innerhalb und außerhalb des Physik-Departments.

Kurze Biographie

Menno Poot wurde 1982 geboren. Er studierte angewandte Physik an der TU Delft in den Niederlanden, wo er den Master mit einer Arbeit über Elektronentransport durch einzelne Moleküle abschloss. Er blieb danach zur Promotion am Kavli Institut für Nanowissenschaften der TU Delft. Mit seinem Doktorvater Prof. Herre van der Zant arbeitete er an verschiedenen nano-elektromechanischen Systemen, unter anderem “Graphen-Trommeln” und Resonatoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen.

Ein Rubicon-Stipendium der Niederländischen Wissenschaftsorganisation (NWO) förderte Menno Poots Post-Doc-Aufenthalt in der Arbeitsgruppe von Professor Hong Tang an der Fakultät für Elektrotechnik der Yale University, USA. Dort forschte er an Optomechanik-on-a-chip und integrierter Quantenoptik.

Im Mai 2017 wurde Menno Poot als Rudolf-Mößbauer-Professor ans Physik-Department berufen, wo er seine Forschungen auf dem Gebiet der Quanten-Technologien fortsetzt.

Redaktion

Dr. Johannes Wiedersich