Doppelte Ausbeute an Einzelphotonen

Überall auf der Welt wird an an neuen Quanten­technologien geforscht. Eine Schlüssel­anwendung ist die Quanten­kommunikation: Sie basiert darauf, Licht in seiner kleinsten Einheit, dem Photon, zu verschicken. Für viele Anwendungen muss das Licht aber in einem bestimmten Zustand sein, nämlich in einem Einzel­photonen­zustand. Doch wie erzeugt man solche Einzel­photonen­zustände am besten?

Wissenschaftler nutzen dafür Quantenpunkte – winzige Halbleiter­kristalle, die in Chip-Bausteine integriert werden können. Mit Laserlicht kann man den Quanten­punkt anregen und so ein Einzel­photon erzeugen. Dies ist jedoch knifflig: Wenn das Laserlicht die gleiche Wellenlänge wie das erzeugte Einzelphoton hat, ist eine komplizierte Filter­technik nötig. Dabei gehen mindestens die Hälfte der erzeugten Photonen wieder verloren.

Um dieses Problem zu überwinden, haben theoretische Physiker im vergangenen Jahr eine neue Methode vorgeschlagen: das „Swing-up of quantum emitter population“ (SUPER)-Schema. An den theoretischen Überlegungen war Doris Reiter federführend beteiligt. Reiter leitet seit April 2022 eine eigene Arbeitsgruppe im Bereich Theorie der kondensierten Materie an der Fakultät Physik der TU Dortmund. Ihr Team beschäftigt sich damit, Quanten­phänomene auf kleinsten Skalen zu verstehen und somit neuartige Quanten­technologien nutzbar zu machen. Die Forscher nutzen dabei unter anderem auch numerische Simulationen.

Bereits Ende 2021, als sie noch an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster tätig war, hatte Reiter als Leiterin einer Studie in Zusammen­arbeit mit Physiker der Universität Bayreuth die neue Methode vorgeschlagen, um Einzelphotonen zu erzeugen. Jetzt konnte sie diese in Kooperation mit experimentellen Physikern aus Innsbruck und Linz auch im Labor umsetzen. Doris Reiter erklärt: „Das SUPER-Schema nutzt zwei rot-verstimmte Laserpulse, also solche mit geringerer Energie als der Quantenpunkt-Übergang, um Einzelphotonen zu erzeugen.“ So wird das Filtern überflüssig und theoretisch können doppelt so viele Einzelphotonen erzeugen werden.

Um das Experiment zu realisieren, mussten die Forscher also zwei verschiedene Laserpulse erzeugen. Das Team der Universität Innsbruck hat diese zwei Laserpulse aus einem Puls hergestellt und dafür ein spezielles Bauteil, einen räumlichen Licht­modulator, benutzt. Die für das Experiment nötigen mit Quanten­punkten kamen von der Universität Linz. „Durch den Austausch zwischen Theorie und Praxis konnten wir die neue Methode im Experiment erfolgreich umsetzen“, betont Thomas Bracht, der in der Arbeits­gruppe von Doris Reiter promoviert und die theoretischen Berechnungen durchgeführt hat.

Das Experiment hat gezeigt, dass das SUPER-Schema sehr gut funktioniert und die Ergebnisse hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Mit der Umsetzung dieser neuen Methode machen sie einen großen Schritt vorwärts im Bemühen, Quanten­kommunikation nicht nur im Labor, sondern für echte Anwendungen nutzbar zu machen.

TU Dortmund / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. Karli et al.: SUPER Scheme in Action: Experimental Demonstration of Red-Detuned Excitation of a Quantum Emitter, Nano Lett. 22, 6567 (2022); DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01783
• Ultraschnelle Optik in nanostrukturierten Festkörpern (D. Reiter), Technische Universität Dortmund