Der nächste Schritt zum Quanten-Krypto-Chip

Die Wissenschaft rund um Mikro- und Nano­laser erlebt einen weltweiten Hype. In der Regel beschäftigen sich die Forscher vor allem mit der grund­legenden Physik dieser Laser. Welchen möglichen Nutzen diese extrem kleinen Laser in der Anwendung mal haben werden, ist dagegen noch unklar. „Die Tat­sache, dass es noch keine oder kaum mögliche Anwendungen für Mikro­laser gibt, liegt unter anderem daran, dass sie nur eine sehr geringe optische Leistung emittieren. Es wären zum Beispiel tausend Mikro­laser not­wendig, um die Leistung eines Laser­pointers zu erreichen“, erklärt Stephan Reitzen­stein vom Fach­gebiet „Opto­electronics and Quantum Devices“ am Institut für Fest­körper­physik der TU Berlin.

„Interessant könnten allerdings Anwendungen sein, bei denen man nur sehr wenig Licht benötigt. Genau dies ist bei dem Betrieb einer Einzel­photonen­quelle der Fall.“ Der Arbeits­gruppe um Stephan Reitzen­stein ist es im Rahmen seines ERC Consolidator Grants erst­mals der Nachweis gelungen, dass man einen Mikro­laser nutzen kann, um eine Einzel­photonen­quelle anzuregen, Photonen zu emittieren. „Nicht zuletzt konnten wir so auch zwei Communities inner­halb der Physik vereinigen: zum einen die Wissen­schaft rund um Mikro­laser sowie die rund um Einzel­photonen­quellen.“

Übergeordnetes Ziel dieses Experimentes ist unter anderem der Einsatz von Mikro­lasern in der abhörsicheren Quanten­kommunikation. In der jetzt veröffentlichten Arbeit befanden sich der Mikro­laser und die Einzel­photonen­quelle in zwei verschiedenen Räumen – jeweils in einem separaten Kryo­staten bei wenigen Dutzend Kelvin – und waren über eine Glas­faser mit­einander verbunden. „Nach diesem ‚proof of principle‘ muss es in dem nächsten Schritt darum gehen, beide Komponenten ‚on chip‘ zu vereinigen. Also Mikro­laser und Einzel­photonen­quelle nicht in unter­schiedlichen Räumen, sondern auf dem gleichen, wenige Mikro­meter großen Chip­bereich unterzu­bringen“, so Stephan Reitzenstein.

Die Herausforderung bei diesem Experiment lag unter anderem darin, eindeutig zu beweisen, dass die am Ausgang des Experiments gemessenen Photonen auch tatsächlich aus der Einzel­photonen­quelle stammen – und nicht etwa von dem Mikro­laser. In der Regel emittiert ein Quanten­punkt als Einzelphotonenquelle bei einer bestimmten Wellen­länge – zum Beispiel 830 Nano­meter und der Laser bei einer anderen Wellen­länge – zum Beispiel bei 700 Nano­meter. In diesem Fall ist die Unter­scheidung der Photonen vergleichs­weise einfach.

„In unserem Fall müssen Quanten­punkt und Mikro­laser aber auf der exakt identischen Wellen­länge emittieren. Problem: Der Mikro­laser sendet ungefähr eine Million mal mehr Photonen aus als der Quanten­punkt. Da ist es entscheidend nach­zuweisen, dass die gemessenen Photonen am Ende des Experimentes tatsächlich von der Einzel­photonen­quelle stammen und nicht etwa von dem Laser“, beschreibt Stephan Reitzen­stein.

Dafür entwickelte sein Doktorand Sören Krein­berg einen speziellen optischen Aufbau, mit dem es gelingt, die Photonen anhand ihrer Polarisation voneinander zu trennen. Das Laser­licht hat zum Beispiel eine horizontale Polarisation. Damit wird der Quanten­punkt angeregt. Dagegen emittiert der Quanten­punkt unter anderem auch Photonen mit vertikaler Polarisation. „Diesen Filter, der nur Photonen mit einer vertikalen Polarisation durchlässt, schalten wir hinter den Quanten­punkt. So können wir eindeutig belegen, dass die detektierten Photonen von dem Quanten­punkt stammen müssen.“

Eine andere wichtige Herausforderung bestand darin, überhaupt einen Mikro­laser, die in Kooperation mit der Arbeits­gruppe von Sven Höfling an der Universität Würz­burg entwickelt und her­gestellt wurden, mit einer konstant definierten Wellen­länge und die dazu passende Einzel­photonen­quelle zu finden. „Im Gegensatz zu einem normalen Laser besitzt ein Mikro­laser kein ‚Rädchen‘, an dem man drehen kann, um die richtige Wellen­länge einzustellen. Jeder Mikro­laser emittiert Licht einer bestimmten Wellen­länge, die von Exemplar zu Exemplar um bis zu zehn Nano­meter variieren kann. Wir brauchen aber einen Laser, der hundert­prozentig exakt immer auf der gleichen Wellen­länge emittiert wie unsere Einzel­photonen­quelle. Dazu mussten meine Mit­arbeiter Sören Krein­berg und Tomislav Grbeši hunderte von Mikro­lasern testen und analysieren“, so Stephan Reitzenstein.

Der Grund, warum Mikro­laser und Einzel­photonen­quelle so exakt harmonieren müssen, liegt in der möglichen Anwendung in der Quanten­kommunikation: „Wird der Quanten­punkt durch Licht unter­schiedlicher Wellen­länge angeregt, emittiert er auch Photonen mit leicht unter­schiedlichen Eigenschaften. Diese wären für eine potentielle Quanten­kommunikation nicht zu gebrauchen.“

TU Berlin / DE