Effektive Quelle für verschränkte Photonen

Neue Methode kann verschränkte Photonenpaare mit einer Effizienz von 80 Prozent liefern - eine Verbesserung um fast zwei Größenordnungen.

Verschränkte Photonen sind eine wichtige Komponente für quantentechnische Anwendungen von Quantencomputern über Quantenkryptographie bis zur Quantenteleportation. Die bislang verwendeten Quellen liefern jedoch nur sehr wenig verschränkte Photonen - maximal ein Paar pro hundert Anregungspulse. Ein französisch-polnisches Forscherteam hat nun ein neues Verfahren entwickelt, dass verschränkte Photonen mit sehr viel größerer Effizienz liefern kann. Der Prototyp erreicht bereits eine Ausbeute von zwölf Prozent, deutlich mehr als jede existierende Quelle. Mit weiteren technisch machbaren Verbesserungen des Verfahrens sollte sich eine Rate von 80 Prozent erreichen lassen, so die Wissenschaftler.

Verschränkte Photonen können mit zwei unterschiedlichen Prozessen erzeugt werden. So lassen sich Photonen eines Laserstrahls in einem optisch aktiven Medium - zum Beispiel einem lichtlinearen Kristall - in jeweils zwei Photonen niedriger Frequenz aufspalten (optical parametric down-conversion, OPDC). Im zweiten Verfahren entstehen Photonenpaare durch den radiativen Zerfall von zwei Elektron-Loch-Paaren in einem Quantenpunkt.

Die Ausbeute des ersten Verfahrens ist durch die Poisson-Statistik auf maximal fünf Prozent begrenzt. Eine solche prinzipielle Beschränkung gibt es bei der Erzeugung mit Quantenpunkten nicht. Hier ist das Problem ein anderes. Zwar lassen sich Photonenpaare mit einer Quote von nahezu hundert Prozent erzeugen, doch da diese Paare gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt werden, lässt sich nur ein kleiner Teil dieser Paare sammeln und für Anwendungen in Quanteninformations-Techniken nutzen.

Adrien Dousse vom Laboratoire de Photonique et de Nanostructures in Marcoussis und seine Kollegen aus Frankreich und Polen haben nun ein Verfahren entwickelt, dass eine effektive Sammlung der erzeugten Photonenpaare ermöglicht. "Pro Anregungspuls messen wir in der ersten Linse eine Rate von 0,12 Polarisations-verschränkten Photonenpaaren", berichten die Forscher. "Unsere Ergebnisse öffnen den Weg zum Bau von getriggerten Festkörper-Quellen für verschränkte Photonenpaare mit einer Gesamteffizienz von 80 Prozent."

Dousse und seine Kollegen erreichen diesen Sprung in der Effizienz der Erzeugung verschränkter Photonenpaare mithilfe eines "photonischen Moleküls". Dabei handelt es sich um zwei identische, gekoppelte säulenförmige Hohlräume, die mit einem lithographischen Verfahren in einen Halbleiter geätzt wurden. In einen dieser Hohlräume wird der Quantenpunkt eingebettet. Eine geeignete Wahl des Durchmessers und des Abstands der Mikrosäulen führt dazu, dass die meisten verschränkten Photonenpaare in Hohlraummoden des photonischen Moleküls abgestrahlt werden.

Im Vergleich zu einem nackten Quantenpunkt konnten Dousse und seine Kollegen so eine um zwei Größenordnungen höhere Ausbeute an verschränkten Photonenpaaren erzielen. Die Sammlung der Photonenpaare ist mit dieser Methode nun ebenso effektiv wie bei der OPDC. Da die eigentliche Paarerzeugung in Quantenpunkten aber weitaus effektiver ist, ist die neue Methode insgesamt deutlich überlegen. Mit einem optimierten Design der Mikrosäulen und weiteren Verbesserungen sollte sich, so erwarten Dousse und seine Kollegen, eine Effizienz von 80 bis 90 Prozent erreichen lassen. Damit könnten schon bald effektive Quellen für die Anwendung verschränkter Photonen in der Quanteninformations-Technik zur Verfügung stehen.

Rainer Kayser

• Laboratoire de Photonique et de Nanostructures:
  http://www.lpn.cnrs.fr/fr/Commun/

KP