Quantenkommunikation

Neue Methode erzeugt hochgradig ununterscheidbare Photonen

Forschende aus Paderborn, Bochum und Basel demonstrieren in einer Arbeit in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“, wie man durch spezielle Halbleiter-Nanostrukturen einzelne Photonen und Photonen-Paare erzeugen kann, die sich nahezu perfekt gleichen. Diese „ununterscheidbaren“ Teilchen sind die Grundlage für Quantenverschränkung und Quanteninterferenz.

Der biexzitonische Zerfall

In der Quanteninformationsverarbeitung sind Photonen die idealen Informationsträger. Um die Lichtteilchen für komplexe Berechnungen nutzen zu können, müssen sie jedoch exakt dieselben Eigenschaften haben – ein Aspekt, der als Ununterscheidbarkeit bezeichnet wird. Bisher litten entsprechende Quellen daran, dass die erzeugten Photonen zeitlich korreliert beziehungsweise unscharf waren, was ihre Ununterscheidbarkeit und damit Qualität stark minderte. Ein Team von Doktoranden aus Basel und Paderborn hat dieses Problem jetzt durch einen sogenannten biexzitonischen Zerfall in Halbleiter-Quantenpunkten in einem optischen Resonator gelöst. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Molekül aus zwei gebundenen Exzitonen (jeweils ein Paar aus einem Elektron und einem Elektronenloch) zerfällt und dabei ein einzelnes Exziton und ein Photon zurücklässt.

„Die sogenannte Biexziton-Kaskade in einem Halbleiter-Quantenpunkt emittiert auf Knopfdruck Photonen, welche für moderne Anwendungen hochinteressant sind. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Quantenpunkt doppelt angeregt wird und die Anregung dann zerfällt. Dadurch werden zwei Photonen erzeugt, eins nach dem anderen“, erklärt Erstautor Timon Baltisberger von der Universität Basel.

Identische Photonen auf Knopfdruck

„Ein Quantenpunkt wird oft auch beschrieben als ein künstliches Atom in einem Halbleiter, das einzelne Lichtteilchen erzeugen kann. Durch die Integration in eine spezielle optische Kavität, vorstellbar wie bei einem Laser, wurde der Lichtemissionsprozess hier gezielt beschleunigt und kontrolliert“, erklärt Prof. Dr. Stefan Schumacher, Leiter der Arbeitsgruppe „Theorie funktionaler photonischer Strukturen“ am Department Physik und dem Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn.

Die Forschungsgruppe von Prof. Richard Warburton an der Universität Basel hat im Verlauf der vergangenen Jahre die Interaktion von diesen Quantenpunkten mit optischen Kavitäten intensiv erforscht und in verschiedenen Bereichen wegweisende Fortschritte erzielt. Diese Expertise konnten die Forschenden nun auf das Biexziton anwenden, um dessen Zerfall kontrolliert zu beschleunigen. Dies führt zu Photonen mit viel höherer Qualität: Sie sind zu 90 Prozent ununterscheidbar, ohne diesen Effekt sind es bloß 60 Prozent – eine markante Steigerung. „Die Resultate zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage und weisen einen Weg, um Photonen mit noch höherer Ununterscheidbarkeit zu erzeugen. Sie demonstrieren, dass der Biexziton-Zerfall Photonen mit sehr hoher Qualität erzeugen kann – wenn man das System mit einer Kavität richtig steuert“, so Prof. Warburton.

Reinheit ist einstellbar

Die gemeinsame Arbeit mit Dr. Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum lieferte zudem tiefe Einblicke in die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen. „Wir haben festgestellt, dass auch die Reinheit der erzeugten Photonen mittels des Resonators optimiert werden kann und nur noch durch Schwingungen im Kristallgitter des Halbleiters (Phononen) begrenzt wird. Dieses Phänomen, genannt ‚Cavity Feeding‘, muss in zukünftigen Designs berücksichtigt werden und kann dann systematisch noch weiter minimiert werden“, erklärt Prof. Dr. Klaus Jöns, Leiter der Arbeitsgruppe „Hybrid Quantum Photonic Devices“ am Department Physik und dem Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn.

Je ununterscheidbarer und reiner die erzeugten Photonen sind, desto geringer ist die Fehlerrate in der Datenverarbeitung. Quantenpunkte gelten als eine vielversprechende Technologie für die massentaugliche Erzeugung solcher Photonen.