Physik Neue Quantenpunkte ermöglichen Kopplung an andere Speichersysteme
Ein Team aus Basel und Bochum erforscht die Grundlagen für eine Quantenkommunikation. Was bislang nur im Nah-Infrarot-Bereich möglich war, ist ihnen nun nahe dem sichtbaren roten Bereich gelungen.
Forscher der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum haben Quantenpunkte – winzige Halbleiter-Nanostrukturen – realisiert, die Licht nahe dem roten Spektralbereich bei geringem Hintergrundrauschen aussenden. Quantenpunkte könnten eines Tages die Basis für Quantencomputer bilden; die Lichtteilchen, auch Photonen genannt, wären die Träger der Information. Quantenpunkte mit hinreichend guten optischen Eigenschaften waren bislang nur für Photonen mit Wellenlängen im Nah-Infrarot-Bereich erzielt worden. Nun gelang es den Forschern, rauscharme Zustände bei Wellenlängen zwischen 700 und 800 Nanometern, also nahe dem sichtbaren roten Bereich zu erzeugen. Das würde unter anderem eine Kopplung an andere Speichersysteme ermöglichen. Die Ergebnisse beschreiben sie in der Zeitschrift „Nature Communications“ vom 21. September 2020.
Verschiedene Wellenlängen erforderlich
Systeme für die Quantenkommunikation erfordern Photonen unterschiedlicher Wellenlängen. Für die Kommunikation über lange Strecken müssen vor allem Signalverluste vermieden werden; dafür eignen sich Wellenlängen um die 1.550 Nanometer. Auf kurzen Distanzen hingegen werden Photonen benötigt, die möglichst effektiv detektiert und mit anderen Speichersystemen zusammengeschaltet werden können. Mit rotem Licht, genauer gesagt mit Wellenlängen zwischen 700 und 800 Nanometern, wäre das möglich. Aktuell verfügbare Photonendetektoren haben ihre höchste Sensitivität in diesem Bereich. Außerdem könnten Lichtteilchen dieser Frequenz mit einem Rubidium-Speichersystem gekoppelt werden.
Damit Informationen in einem Quantensystem präzise codiert, manipuliert und ausgelesen werden können, ist eine stabile optische Emission entscheidend. Genau das erreichten die Forscher nun für Photonen nahe dem sichtbaren roten Bereich.
Geringerer Aluminiumgehalt ist Schlüssel zum Erfolg
Für die Arbeit kooperierte das Team der Baseler Nano-Photonics Group um Prof. Dr. Richard Warburton mit der Gruppe um Prof. Dr. Andreas Wieck, Dr. Arne Ludwig und Dr. Julian Ritzmann vom Bochumer Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik. Die Quantenpunkte setzten die Forscher in einem Halbleiter aus Gallium-Arsenid um. Da das System mit flüssigem Helium gekühlt werden muss, arbeitet es bei tiefen Temperaturen von minus 269 Grad Celsius.
Eine besondere Herausforderung war es, eine Diode mit Gallium-Arsenid-Quantenpunkten zu designen, die bei diesen tiefen Temperaturen verlässlich Photonen aussendet. Das Bochumer Team erzeugte dazu Aluminium-Gallium-Arsenid-Schichten mit einem geringeren Aluminiumanteil als üblich, was Leitfähigkeit und Stabilität verbesserte. Dieses Material nutzte das Nano-Photonics-Team für den Versuchsaufbau in Basel.
Gekoppeltes System in Arbeit
Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler daran arbeiten, die neu entwickelten Quantenpunkte mit einem Rubidium-Speicher zu kombinieren. Solche Hybridstrukturen wären ein erster Schritt in Richtung eines Quantenkommunikationsnetzwerks.
