Einzelne Photonen auf Knopfdruck
Zerstörungsfreie Auslesung von Quantenpunkten gelungen.
Einzelne Photonen in einem Quantenpunkt erzeugen und seine Information zerstörungsfrei auslesen: Das ist Forschern der Ruhr-Universität Bochum um Andreas Wieck und Arne Ludwig in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Basel gelungen. Ihre Technologie eröffnet neue Wege in der Quanteninformationsverarbeitung und -übertragung, die für künftige Computeranwendungen wegweisend sein können.
Abb.: Die Kombination von Nano-Magnetresonanzmikroskopie und Laserspektroskopie erlaubt es, einzelne Quantenpunkte abzubilden. Das linke Bild zeigt einen Halbleiter-Quantenpunkt. Rechts die Probe für die Experimente: Der Quantenpunkt befindet sich im kleinen Loch in der Mitte. (Bild: RUB / U. Basel)
Bei guter Beleuchtung prasseln etwa eine Billion Photonen pro Sekunde und Quadratzentimeter auf uns ein. „Man kann Photonen auch für Datenübertragung und -verarbeitung nutzen, dann ist diese riesige Anzahl überflüssig oder sogar störend“, erklärt Wieck. „Für solche Computeranwendungen ist es viel besser, einzelne Photonen zu haben, und zwar eines kontrolliert nach dem anderen.“ Nur so lasse sich der besondere Quantencharakter von Photonen datentechnisch ausnutzen, der bei einer Überlagerung von sehr vielen Photonen verloren wäre.
Nötig ist also eine Lichtquelle, die einzelne Photonen liefert. Als solche dienen Wieck und seinen Kollegen Quantenpunkte, die kleiner als Transistoren, aber größer als Atome sind. In diesem Bereich der Nanotechnologie lassen sich einzelne Elektronen mit ihrem Spin kontrolliert zu Quantenbits, kurz Qubits, verbinden und über einzeln ausgesendete Photonen auslesen. Bisherige Verfahren, die eine solche Auslesung versuchten, zerstörten den Informationsgehalt des Qubits. Nun gelang erstmals die zerstörungsfreie Auslesung.
Die von den Forschern genutzte Methode ist eine Variation der magnetischen Kernspinresonanz MRI. Allerdings braucht MRI mit 1016 eine sehr große Zahl von Atomen. Das jetzt mit den Bochumer Quantenpunkten an der Universität Basel durchgeführte Experiment kommt dagegen mit tausend Atomen aus und ist damit zehn Millionen Mal empfindlicher. Diese enorme Steigerung erreichten Richard Warburton und Martino Poggio von der Universität Basel durch hochauflösende Laserspektroskopie. Der Laserstrahl polarisiert dabei zunächst die Spins im Quantenpunkt und liest ihre Orientierung dann nach dem Umklappen durch einen MRI-Magnetpuls mit einer Mikrospule aus. Dieser Vorgang produziert also quasi „auf Knopfdruck“ einzelne Photonen.
RUB / RK
