Physiker entwickeln rekordverd盲chtige Quelle f眉r Einzelphotonen
Forschende der 鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Basel und der Ruhr-鲍苍颈惫别谤蝉颈迟盲迟 Bochum haben eine Quelle f眉r einzelne Photonen entwickelt, die Milliarden dieser Quantenteilchen pro Sekunde produzieren kann. Mit ihrer rekordverd盲chtigen Effizienz stellt die Photonenquelle ein neues und leistungsf盲higes Element f眉r Quantentechnologien dar.
28. Januar 2021
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 Prof. Dr. Richard Warburton, Natasha Tomm und Dr. 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
Nature Nanotechnology (2021), doi: 10.1038/s41565-020-00831-x
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Richard Warburton, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 35 60, E-Mail: richard.warburton@unibas.ch
