Mehrkavitätensysteme

Mehrkavitätensysteme sind Ansammlungen von zwei oder mehr resonanten Kavitäten, die elektromagnetische Moden unterstützen und durch Kopplung Energie austauschen können. Sie treten in der Optik, der Mikrowellentechnik und der Quanteninformation auf und ermöglichen eine kontrollierte Modenaufspaltung sowie gezielte Energieübertragung zwischen benachbarten Kavitäten.

Typen und Realisationen umfassen optische Kavitäten wie Fabry-Pérot-, Mikrodisk- oder Photonic-Crystal-Kavitäten sowie mikrowellenbasierte Supraleitungsresonatoren und 3D-Hohlraumkavitäten. Die Kopplung erfolgt über abstandsbasierte evanescente Felder, geteilte Wände, nahegelegene Resonatoren oder gemeinsame Strukturen. In Photonik-Arrays können viele Kavitäten zu sogenannten Photonic Molecules verbunden werden.

Theoretisch werden Mehrkavitätensysteme oft mit gekoppelter Moden-Theorie beschrieben. Ein gängiges Modell ist das Hamiltonian-Hamiltonian H = ∑_i ω_i a_i† a_i + ∑_{i<j} κ_{ij} (a_i† a_j + a_j† a_i). Durch Kopplung bilden sich Hybridmoden; das Spektrum zeigt typischerweise Moden-Splittings, deren Größe von der Kopplungsstärke κ und der Detuning ω_i abhängt. In starken Kopplungsregimes ergeben sich deutlich getrennte Normalmoden.

Eigenschaften und Anwendungen umfassen die Bestimmung des Q-Faktors, der Linienbreite und des Kopplungsgrads. Kopplungsregimes reichen von unterkopplung über kritisch bis überkopplung. Anwendungen umfassen optische Filter, Spektralmultiplexing, Lasersysteme und Sensorik, insbesondere Refraktivitätsänderungen. In der Quanteninformation dienen Mehrkavitätensysteme der Kopplung von Quantenbits in cQED-Architekturen, Zustandsübertragung und Speichern. Zu Forschungsfragen zählen Verlustmechanismen, Toleranzen in der Kopplung sowie effiziente Tuning- und Skalierungsmethoden.