Physiker entwickeln rekordverdächtige Quelle für Einzelphotonen

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Die neue Einzelphotonenquelle beruht auf Anregung eines Quantenpunkts (dargestel

Die neue Einzelphotonenquelle beruht auf Anregung eines Quantenpunkts (dargestellt als Wölbung unten links), der daraufhin Photonen aussendet. Ein Mikro-Hohlraum sorgt dafür, dass die Photonen in eine optische Faser geleitet werden und an deren Ende wieder austreten. (Abbildung: Universität Basel, Departement Physik)

Forschende der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum haben eine Quelle für einzelne Photonen entwickelt, die Milliarden dieser Quantenteilchen pro Sekunde produzieren kann. Mit ihrer rekordverdächtigen Effizienz stellt die Photonenquelle ein neues und leistungsfähiges Element für Quantentechnologien dar.

Quantenkryptografie verspricht absolut abhörsichere Kommunikation. Eine Schlüsselkomponente sind dabei einzelne, aneinandergereihte Photonen. In den Quantenzuständen dieser Lichtteilchen lassen sich Informationen speichern und über grosse Distanzen übertragen. Künftig könnten entfernte Quantenprozessoren über einzelne Photonen miteinander kommunizieren. Und vielleicht wird der Prozessor selbst Photonen als Quantenbits zum Rechnen verwenden.

Eine Grundvoraussetzung für derlei Anwendungen sind jedoch effiziente Einzelphotonenquellen. Ein Forschungsteam um Richard Warburton, Natasha Tomm und Alisa Javadi von der Universität Basel berichtet nun gemeinsam mit Kollegen aus Bochum im Fachblatt ’Nature Nanotechnology’ von der Entwicklung einer Einzelphotonenquelle, welche bisher bekannte Systeme an Effizienz deutlich übertrifft.

’Trichter’ lenkt Lichtteilchen

Jedes Photon wird dabei durch die Anregung eines einzelnen ’künstlichen Atoms’ (eines Quantenpunkts) innerhalb eines Halbleiters erzeugt. Normalerweise verlassen diese Photonen den Quantenpunkt in alle möglichen Richtungen und so geht ein Grossteil verloren. Bei der nun vorgestellten Photonenquelle haben die Forschenden dieses Problem gelöst, indem sie den Quantenpunkt in einem ’Trichter’ positioniert haben, um alle Photonen in eine bestimmte Richtung zu schicken.

Bei dem ’Trichter’ handelt es sich um einen neuartigen Mikro-Hohlraum, der die eigentliche Innovation des Forschungsteams darstellt: Der Mikro-Hohlraum fängt fast alle Photonen ein und leitet sie dann in eine optische Faser. Die jeweils etwa zwei Zentimeter langen Photonen treten am Ende der optischen Faser aus.

Der Wirkungsgrad des gesamten Systems - also die Wahrscheinlichkeit, dass die Anregung des Quantenpunkts tatsächlich zu einem verwendbaren Photon führt - ist mit 57 Prozent mehr als doppelt so hoch wie bei bisherigen Einzelphotonenquellen. ’Das ist ein besonderer Moment für uns’, sagt Studienleiter Warburton. ’Wir wissen schon seit ein oder zwei Jahren, was im Prinzip möglich ist. Jetzt haben wir es geschafft, unsere Ideen in die Praxis umzusetzen.’

Enorm gesteigerte Rechenleistung

Die Effizienzsteigerung habe bedeutende Konsequenzen, so Warburton weiter: ’verdoppelt man die Effizienz für die Generation eines einzelnen Photons, summiert sich diese Verbesserung bei einem String aus beispielsweise 20 Photonen auf den Faktor eine Million. In Zukunft möchten wir unsere Einzelphotonenquelle noch besser machen: Wir möchten sie vereinfachen und einige ihrer unzähligen Anwendungen in Quantenkryptografie, Quantenrechnern und anderen Technologien verfolgen.’

Das Projekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds, dem Nationalen Forschungsschwerpunkt ’Quantum Science and Technology’ (NCCR QSIT) und der Europäischen Union im Rahmen des Programms Horizon2020 gefördert.

Originalpublikation

Natasha Tomm, Alisa Javadi, Nadia O. Antoniadis, Daniel Najer, Matthias C. Löbl, Alexander R. Korsch, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, and Richard J. Warburton
A bright and fast source of coherent single photons
Nature Nanotechnology (2021), doi: 10.1038/s41565-020-00831-x