Absolut abhörsichere Übertragung großer Datenmengen: Die Quantenkommunikation verspricht viele Vorteile gegenüber heute gängigen Technologien. Allerdings werden dafür einzelne Photonen benötigt – sie zu erzeugen ist aber sehr schwierig. Forschende der TU München und des Exzellenzclusters Munich Center for Quantum Science and Technology MCQST haben eine neue Methode entwickelt, die die Probleme bisheriger Ansätze überwindet.
Statt die gewünschte Frequenz zu verstärken, unterdrücken die Forschenden gezielt unerwünschte Frequenzen. Bisher kommen für die Produktion von Einzelphotonen meist Resonatoren zum Einsatz – winzige optische Strukturen, die die Photonenquellen so beeinflussen, dass sie Licht vermehrt bei einer bestimmten Frequenz abgeben. Diese Resonatoren funktionieren jedoch nur in einem engen Frequenzbereich und müssen präzise auf die jeweilige Photonenquelle abgestimmt werden.
Forschende der TUM und des MCQST haben deshalb einen neuen Ansatz entwickelt und gehen den umgekehrten Weg. Anstatt die Emitter dazu zu bringen, vermehrt Licht bei einer bestimmten Frequenz abzugeben, passen sie die Umgebung des Emitters so an, dass weniger Licht bei unerwünschten Frequenzen abgegeben werden kann. Dafür nutzen sie photonische Kristallwellenleiter. Das sind Nanostrukturen, die durch regelmäßig angeordnete Strukturen Wege blockieren, über die eine Photonenquelle Licht aussenden kann. Das Team baut die photonischen Kristallwellenleiter dabei so, dass sie nur unerwünschte Lichtfrequenzen unterdrücken und die erwünschten erhalten bleiben.
Erste Versuche bestätigen die Wirksamkeit der Technologie: durch die photonischen Kristallwellenleiter konnten sie den Anteil an gewünschten Photonen im emittierten Licht von etwa 23 % auf rund 72 % steigern. Damit erreicht die neue Methode Werte, die bisher nur mit deutlich aufwändigeren Resonatoransätzen erzielt wurden.
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Mit dem neuen Ansatz erfolgt die Photonenerzeugung außerdem etwas langsamer als bisher. Auch das ist für die Quantenkommunikation wichtig: „Wenn Photonen zu schnell erzeugt werden, können wir ihre Eigenschaften schlecht kontrollieren“, erklärt Andreas Reiserer, Professor für Quantennetzwerke an der TUM. „Unser Ansatz ist daher für viele Emitter deutlich besser geeignet als die bisher verwendeten Resonatoren.“
Die ersten Experimente führten die Forschenden mit Erbium als Photonenquelle durch. Ein Element, das bereits heute in Glasfasertechnologien verwendet wird.
Weil die Kristallwellenleiter größer und breitbandiger sind, ergeben sich zwei zentrale Vorteile. Erstens lassen sich mehrere Photonenquellen gleichzeitig in einem Bauteil als Emitter nutzen. Bei Resonatoren ist dies aufgrund ihrer sehr kleinen Bauform nur eingeschränkt möglich. Zweitens ist die gewünschte Frequenz flexibler auswählbar, da die photonischen Kristallwellenleiter nicht wie klassische Resonatoren präzise auf jeden Emitter angepasst werden müssen.
Erstautor Florian Burger gibt einen Ausblick: „Quantennetzwerke sollen eines Tages viele Quantensysteme miteinander verbinden. Dafür braucht es Schnittstellen, die Informationen aus einem Quantensystem zuverlässig auf einzelne Photonen übertragen und diese anschließend beispielsweise über Glasfasern versenden können. Unsere Arbeit legt dafür die Grundlage.“ [TUM / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
F. Burger, S. Rinner, A. Gritsch, et al., Inhibited radiative decay enhances single-photon emitters, Nat. Commun. 17, 6250, 16. Juli 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-75489-5 - Professur für Quantennetzwerke (Andreas Reiserer), Departement Physik, TUM School of Natural Sciences, TU München
