Single Phonon Quantum Optics

Akustische Phononen, die energetischen Eigenzustände von mechanischen Vibrationen, besitzen eine Vielzahl an interessanten Eigenschaften für die Verarbeitung von Quanteninformation. Beispielsweise können sie als langlebige und kompakte Quanteninformationsspeicher eingesetzt werden, oder Quantenzustände zwischen anderweitig inkompatiblen Systemen übertragen. Aufgrund ihrer technischen Relevanz sind hierbei Photonen im optischen Telekommunikations-Frequenzband von besonderem Interesse. Mit Hilfe von künstlich erzeugten optischen und akustischen Resonanzen, können die Photonen mit Phononen mittels Strahlungsdruck interagieren. Jedoch war die Kontrolle einzelner Bewegungsanregungen in mikromechanischen Resonatoren bisher auf den Mikrowellenbereich beschränkt, wohingegen das Ziel einer Manipulation durch Laser unerreicht blieb. In dieser Dissertation beschreibe ich, wie dies experimentell mithilfe von quantenoptischen Protokollen erreicht werden kann. Zunächst wird gezeigt, dass optomechanische Kristalle im Quantenbereich betrieben werden können, indem nichtklassische Photon-Phonon Paare mittels optomechanischer parametrischer Fluoreszenz erzeugt werden. Diese Quantenschnittstelle wird daraufhin verwendet um einzelne Phononen zu charakterisieren, sowie Quantenverschränkung zwischen zwei entfernten mechanischen Oszillatoren zu erzeugen. Die Demonstration dieser klassischen Quantenoptik Experimente mit einzelnen Phononen zeigt, dass mechanische Quanteninformationsspeicher eine vielversprechende Ressource für künftige Quantennetzwerke darstellen.Acoustic phonons, the energy eigenstates of mechanical vibrations, possess a plethora of interesting features for quantum information processing. For example, they can serve as compact quantum memories with long life times, or can transduce quantum states between a variety of otherwise incompatible quantum systems. Particularly interesting among those are infrared photons in the telecommunication wavelength band, due to their widespread use in quantum communication. Using artificial optical and mechanical resonances, they can interact with phonons by radiation pressure. However, controlling individual excitations of motion in micromechanical resonators has thus far been restricted to the domain of microwave radiation, while optical control remained an outstanding goal. In this thesis, I describe how this can be achieved experimentally, employing quantum optics protocols. First, the operation of silicon optomechanical crystals in the quantum regime is demonstrated by creating non-classical photon-phonon pairs through optomechanical down conversion. This quantum interface is subsequently used to characterize heralded single phonons, and to generate quantum entanglement between two remote mechanical oscillators. The realization of these classic quantum optics experiments with single phonons establishes mechanical quantum memories in silicon photonics as a useful resource for future quantum networks