Drei photonische Komponenten auf einem Chip

Einer der vielversprechendsten Ansätze für Quanten­computer basiert auf der Ver­wen­dung ein­zelner Photonen zur Über­tragung und Ver­arbei­tung von Quanten­infor­ma­tion. Wissen­schaftlern der Uni Stutt­gart und des Karls­ruher Insti­tutes für Techno­logie ist es jetzt erst­mals gelungen, drei not­wendige Haupt­kompo­nenten – Einzel­photonen­quellen, Strahl­teiler und Einzel­photonen­detek­toren – auf einem ein­zigen Chip zu inte­grieren und diesen auf dem Level ein­zelner Photonen zu betreiben. Das Experi­ment demon­striert die Funktions­tüchtig­keit der grund­legenden Kompo­nenten und legt den Grund­stein für kompli­zierte Systeme.

Im Gegensatz zur weit verbreiteten Silizium­techno­logie wurde das Experi­ment auf Gallium­arsenid-Basis durch­ge­führt. Das ermög­licht die direkte Ein­bin­dung von Quanten­punkten, die als effi­ziente On-Demand-Quellen von Einzel­photonen dienen. Zusätz­lich erlaubt die GaAs-Plattform, die Einzel­photonen zu optischen Logik-Schalt­kreisen und spezi­ellen Detek­toren aus supra­leiten­den Nano­drähten zu leiten, welche auf dem­selben Chip platziert werden können. In dem Experi­ment wurden von einem optisch gepumpten Quanten­punkt emit­tierte Einzel­photonen in einem photo­nischen Wellen­leiter geführt und von einem Strahl­teiler in zwei mit jeweils einem Detektor aus­ge­rüstete Wellen­leiter­arme auf­ge­teilt.

„Eine der bisherigen Herausforderungen in einem solchen komplett auf einem Chip durch­ge­führten Experi­ment war die Nähe des Anre­gungs­lasers zu den Detek­toren auf dem Chip“, erklärt Mario Schwartz von der Uni Stutt­gart. Er hat über die letzten Jahre an einem Grund­satz-Experi­ment gear­beitet, um zu zeigen, dass alle Haupt­kompo­nenten auf einem ein­zigen photo­nischen Chip kombi­niert werden können. Das Projekt wurde in enger Zusammen­arbeit mit Ekke­hart Schmidt vom KIT durch­ge­führt, einem Experten für das Design und die Imple­men­tie­rung der On-Chip Detek­toren ist.

„Die Detektoren können nicht unterscheiden, welche Photonen vom Laser und welche vom Quanten­punkt kommen, was zu uner­wünschten Detek­tionen führt“, erläutert Schmidt. Den Wissen­schaftlern gelang es, den Ein­fluss der Laser­photonen deut­lich zu ver­ringern, indem sie reflek­tie­rende Metall­schichten auf dem Chip platzierten. Diese Idee ermög­lichte es, die quanten­mecha­nische Natur der QD-Emission zu zeigen, wobei nur die On-Chip-Kompo­nenten ver­wendet wurden. „Das erfolg­reiche Experi­ment ist ein wich­tiger Schritt in die rich­tige Rich­tung und zeigt das Poten­zial von komplett inte­grierten photo­nischen Schalt­kreisen mit allen Haupt­kompo­nenten auf einem einzigen Chip“, sagt Peter Michler, der das Institut für Halb­leiter­optik und funktio­nelle Grenz­flächen der Uni Stutt­gart leitet. „Wir sehen klare Möglich­keiten, die Komple­xität des Chips in naher Zukunft zu erhöhen.“

U. Stuttgart / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Schwartz et al.: Fully On-Chip Single-Photon Hanbury-Brown and Twiss Experiment on a Monolithic Semiconductor–Superconductor Platform, Nano Lett. 18, 6892 (2018); DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02794
• Institut für Halbleiteroptik und funktionelle Grenzflächen (P. Michler), Universität Stuttgart
• Institut für mikro- und nanoelektronische Systeme, Karlsruher Institut für Technologie