Besser als das Standard-Quantenlimit

Verschränkte Lichtzustände ermöglichen die Erhöhung der Sensitivität in der optischen Interferometrie. Hierfür benötigt man pfad­verschränkte Photonen­zustände in zeitlich wohl definierten Pulsen. Bisher war die Erzeugung solcher Zustände jedoch nur begrenzt und per Zufall möglich. Physiker der Universität Stuttgart haben nun gezeigt, wie man mit Hilfe eines Halbleiter-Quanten­punkts verschränkte Photonen­zustände deterministisch erzeugen und damit die für klassisches Licht geltende universelle Empfindlichkeits­schranke unterbieten kann.

Viele optische Nachweisverfahren für Biomoleküle oder chemische Substanzen beruhen auf der interfero­metrischen Messung einer Phase. Die maximal erzielbare Präzision einer solchen Messung hängt von verschiedenen Umständen ab. Nach den Regeln der klassischen Physik gibt es jedoch eine universelle Empfindlichkeits­schranke, das Standard-Quantenlimit, das mit klassischem Licht, zum Beispiel Laserlicht, nicht unterschritten werden kann. Verschränkte Lichtzustände erlauben es, diese klassische Schranke zu unterbieten.

Halbleiter-Quantenpunkte sind für die Erzeugung von verschränkten Lichtzuständen ideal. So lässt sich ein Quanten­punkt durch eine regelmäßige Folge von kurzen optischen Pulsen anregen und emittiert dann bei geeigneten Bedingungen nach jedem Puls ein einzelnes Photon. Dadurch entsteht ein regelmäßiger Strom von Einzel­photonen. Jeweils zwei dieser Einzel­photonen können an einem Strahlteiler überlagert werden. Bei dem anschließenden Zwei-Photonen­interferenz­prozess entstehen NOON-Zustände. In diesen speziellen Lichtzuständen befinden sich die beiden Photonen in einem quanten­mechanischen Überlagerungs­zustand und eignen sich ideal für die interfero­metrischen Messungen mit erhöhter Phasen­auflösung.

Markus Müller und Hüseyin Vural, Doktoranden am Institut für Halbleiter­optik und Funktionelle Grenz­flächen der Universität Stuttgart unter Leitung von Peter Michler ist es nun mit Hilfe eines Halbleiter-Quanten­punkts gelungen, qualitativ hochwertige NOON-Zustände zu erzeugen, die das Standard-Quantenlimit unterbieten können.

Photonentransmissions- und Detektions­verluste können jedoch die quanten­mechanisch verursachte Verbesserung der Phasen­auflösung wieder zunichtemachen. In dem Experiment der Stuttgarter Wissenschaftler war dies zunächst auch noch der Fall. Mit Hilfe von optimierten Halbleiter-Quantenpunkt­licht­quellen sollten diese Probleme jedoch schon bald gelöst werden können. Dann könnte man mit verschränkten Photonen aus Halbleiter-Quanten­punkten zukünftig einen besseren Sensor aufbauen als mit klassischem (Laser)-Licht.

U. Stuttgart / DE