Ein Photon kommt selten allein …
„Angekündigt“ – Einzelphotonenquelle aus Silizium.
Forscher des National Institute of Standards and Technology NIST, der University of California in San Diego, und der Politecnico di Milano präsentieren die erste aus Silizium hergestellte angekündigte Einzelphotonenquelle. Diese Quelle ergänzt zwei weitere kürzlich entwickelte siliziumbasierte Technologien – Interferometer zur Manipulation von Photonenverschränkungen und Einzelphotonendetektoren – diese sind nötig, um einen quantenoptischen Schaltkreis oder ein sicheres Quantenkommunikationssystem aufzubauen.
Abb.: Bei der Photonenpaarbildung entstene durch Eingangspumpen von Photonen spontan erzeugte Paare von neuen Photonen, die exakt zur selben Zeit auftauchen, aber leicht unterschiedliche Frequenzen besitzen. (Bild: K. Srinivasan & M. Davanco, NIST)
In der angewandten Elektronik und Optik bewegt sich die Linie zwischen „interessant“ und „praktikabel“ dahingehend, Bauteile kompatibel mit der existierenden Technologie zu machen. Laut NIST-Forscher Kartik Srinivasan passt der neue 0,5 mm × 0,05 mm große angekündigte Photonengenerator auf drei Wegen zur bestehenden Technologie: er funktioniert bei Raumtemperatur, produziert Photonen, die kompatibel sind mit dem vorhandenen Telekommunikationssystem (Wellenlängen von zirka 1550 nm) und besteht aus Silizium, lässt sich also mit den üblichen skalierbaren Technologien herstellen.
Ein „angekündigtes“ Photon ist ein Teil eines Paares, dessen Existenz mit der Detektion seines Partners einher geht – das „ankündigende“-Photon. Die angekündigten Einzelphotonen lassen sich mit einer zuvor von der Forschergruppe vorgestellten Technik erzeugen, der Photonenpaarbildung im Silizium. Hierfür pumpt ein Laser Photonen in ein Material, dessen Eigenschaften aus zwei eingehenden Pumpphotonen spontan ein neues Paar an frequenzverschobenen Photon erzeugt. Diese neuen Photonen verlassen das Material genau zu derselben Zeit, es ist allerdings unmöglich, vorherzusagen, wann dies geschehen wird.
„Der Nachweise eines dieser Photonen, lässt uns nach dem Partner Ausschau halten,“ sagt Srinivasan. „Während es für Photonenpaare eine Reihe von Anwendungen gibt, werden angekündigte Paare zum Beispiel dafür gebraucht, die Informationsspeicherung in zukünftigen quantenbasierten Rechnern zu veranlassen.“ Srinivasan zufolge lassen sich mit der von seiner Gruppe entwickelten siliziumbasierten Anwendung Paare an Einzelphotonen effizient erzeugen. Außerdem zeigt das Experiment deutlich, dass die Existenz eines Photons durch die Detektion des anderen angekündigt wird.
Obwohl das neue Gerät ein Schritt nach vorne ist, ist es laut Shayan Mookherjea von der UC San Diego noch nicht anwendbar, da eine einzelne Quelle nicht hell genug ist und noch eine Reihe von anderen erforderlichen Funktionen auf dem Chip zu integrieren seien. Bringt man hingegen mehrere Quellen mit den komplementären Komponenten auf einem einzelnen Chip zusammen – möglich durch die siliziumbasierte Technologie – könnte dies die nötige Leistung für eine geeignete Anwendung liefern.
NIST / VK
