15.01.2019

Gebündelte Photonen

Schlüsselbausteine der Quanten­photonik auf einem ein­zelnen Chip inte­griert.

Forschern der Uni Paderborn um Christine Silber­horn ist es erst­mals gelungen, Schlüssel­bau­steine der Quanten­photonik auf einen ein­zelnen Chip zu inte­grieren und damit die Bünde­lung zweier ein­zelner Photonen zu demon­strieren. Dieses Hong-Ou-Mandel-Experi­ment ist ein wich­tiger Schritt zur Etab­lie­rung neu­artiger Quanten­techno­logien, die beispiels­weise zur Synchro­nisa­tion in der Quanten­kommu­nika­tion, zum Aufbau von Quanten­simula­toren oder für quanten­basierte Hoch­präzi­sions­messungen benötigt werden. Ein­satz finden die Techno­logien etwa in der abhör­sicheren Kommu­nika­tion. Die theore­tische Simu­la­tion wurde von den Gruppen um Polina Shara­pova und Torsten Meier unter­stützt.

Abb.: Schematische Darstel­lung des Experi­ments. (Bild: K.-H. Luo et al. /...
Abb.: Schematische Darstel­lung des Experi­ments. (Bild: K.-H. Luo et al. / AAAS)

„In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glas­fasern der etab­lierte Standard, um die benötigten hohen Daten­transfer­raten zu erzielen“, erklärt Silber­horn. Kurze Licht­pulse sind dabei die Informa­tions­träger. Solch ein Licht­puls besteht aus einer großen Anzahl von Photonen. „Unter Ver­wen­dung von nur wenigen oder sogar ein­zelnen Photonen offen­baren sich faszinie­rende Effekte, die durch den Quanten­charakter der Photonen ent­stehen“, so die Wissen­schaft­lerin weiter. Daraus ergeben sich perspek­ti­visch neue Anwen­dungen etwa für die absolut abhör­sichere Quanten­kommu­nika­tion oder zukünf­tige Quanten­computer.

„Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Rich­tung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, können sie sich ent­weder zusammen­schließen, um die­selbe Rich­tung zu wählen, oder alleine in unter­schied­lichen Rich­tungen den Strahl­teiler ver­lassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleich­zeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegen­seitig über ihren Weg infor­mieren“, erklärt Silber­horn. „Das Ver­halten solcher Photonen­paare unter­scheidet sich signi­fi­kant von dem klas­sischer Teil­chen. Ein solches Zusammen­spiel von Photonen ist ein grund­legender Effekt in der Quanten­optik, der das Herz­stück vieler Quanten­logik­opera­tionen ist und beispiels­weise in Quanten­simula­toren, Quanten-Repeatern oder Quanten­computern aus­ge­nutzt wird“.

Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quanten­techno­logien hat die Arbeits­gruppe von Silber­horn demon­striert, dass die Imple­men­tie­rung eines solchen quanten­optischen Experi­ments auf einem einzigen Chip möglich ist. Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeu­gung von Photonen­paaren, ein optisches Netz­werk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden, und program­mier­bare Stufen zur Synchro­nisa­tion der Ankunfts­zeiten am letzten Strahl­teiler. Diese Synchro­nisa­tion wird über elek­trische Steuer­signale erreicht, die es ermög­lichen, eine Zeit­ver­zöge­rung zwischen den Photonen ein­zu­stellen. Zu den Aus­wir­kungen der Arbeit sagt Silber­horn: „Die Implemen­tie­rung eines solchen Quanten­experi­ments in einen ein­zigen Chip ist ein großer Schritt zur Minia­turi­sie­rung. Er ebnet den Weg zu kommer­ziellen Anwen­dungen von Quanten­techno­logien".

U. Paderborn / RK

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