Eine ideale Einzelphotonen-Quelle
Fluktuierende Kernspins in Quantenpunkten erzeugen identische Photonen.
Mithilfe eines Halbleiter-Quantenpunktes haben Wissenschaftler der Uni Basel eine neuartige Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen aussendet. Erstmals ist es den Forschern gelungen, einen Strom identischer Photonen zu erzeugen. Eine Einzelphotonenquelle sendet nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig aus. Wichtig sind einzelne Photonen in der Quanten Informationstechnologie, die beispielsweise in Quantencomputern Anwendung findet. Neben Helligkeit und Robustheit der Lichtquelle ist vor allem die Ununterscheidbarkeit der Photonen entscheidend. Das bedeutet insbesondere, dass alle Photonen die gleiche Farbe haben müssen. Eine solche Quelle von identischen Einzelphotonen zu realisieren, gestaltete sich bisher als sehr anspruchsvoll.
Abb.: Halbleiter-Quantenpunkt, der einen Zug einzelner und identischer Photonen emittiert. (Bild: U. Basel)
Vielversprechende Kandidaten für eine solche Einzelphotonen-Quelle sind Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien. Ein Quantenpunkt ist eine Ansammlung von wenigen Hunderttausend Atomen, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem Halbleiter selbstständig formiert. Einzelne Elektronen können in solchen Quantenpunkten eingefangen und auf engstem Raum eingeschlossen werden. Das Aussenden eines einzelnen Photons erfolgt beim Zerfall eines angeregten Quantenzustandes.
Das Team um Andreas Kuhlmann und Richard Warburton konnte bereits in der Vergangenheit zeigen, dass die Ununterscheidbarkeit der Photonen durch fluktuierende Kernspins der Atome des Quantenpunktes reduziert wird. Nun ist es ihnen erstmals gelungen die Kernspins so zu kontrollieren, dass selbst Photonen, die mit sehr großem zeitlichem Abstand ausgesandt wurden, die gleiche Farbe aufweisen. Einzelphotonen-Quellen könnten Anwendung in der Quantenkryptographie und Quantenkommunikation finden – Technologien, durch die Berechnungen möglich wären, die für heutige Computer unmöglich sind.
UB / RK
