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Nicht unterscheidbare Photonen aus einer Zwei-Photonen-Kaskade
In einer engen Zusammenarbeit haben Forschende der Universität Basel, der Universität Paderborn und der Ruhr-Universität Bochum einen entscheidenden Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenkommunikation erzielt. In ihrer kürzlich veröffentlichten Arbeit in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters demonstrieren sie, 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 hat viel Potential…
In der Quanteninformationsverarbeitung sind Photonen die idealen Informationsträger. „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 Quantendot zweimal angeregt wird und zerfällt, in dem zwei Photonen erzeugt werden, eins nach dem anderen.“ erklärt Erstautor Timon Baltisberger von der Nano-Photonics Group der Universität Basel.
Diese Photonen haben jedoch ein Problem: um sie für komplexe Berechnungen nutzen zu können, müssen sie exakt dieselben Eigenschaften haben – eine Eigenschaft, die als „Ununterscheidbarkeit“ bezeichnet wird. Bisher litten solche Quellen daran, dass die erzeugten Photonen zeitlich korrelierten bzw. unscharf waren, was ihre Ununterscheidbarkeit und damit Qualität stark minderte. Ein starkes Team von Doktoranden aus Basel und Paderborn hat dieses Problem gelöst, indem sie das Verhalten des Quantenpunktes in einem optischen Resonator gezielt verändert haben.
… und kann auch identische Photonen erzeugen
„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 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 (PhoQS) 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: solche Photonen sind zu 90% ununterscheidbar, ohne diesen Effekt ist es bloss 60% – eine markante Steigerung. Die Resultate zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage und weisen einen Weg, um Photonen mit noch höherer Ununterscheidbarkeit zu generieren. «Diese Resultate 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 zugrundeliegenden 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 (PhoQS) 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.
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