Hochgradig ununterscheidbare Photonen erzeugen

In einer engen Zusammenarbeit haben Forschende der Unis Paderborn, Basel und Bochum einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenkommunikation erzielt. In ihrer Arbeit demonstrieren sie, wie sie durch spezielle Halbleiter-Nanostrukturen einzelne Photonen und Photonen-Paare erzeugen können, die sich nahezu perfekt gleichen. Diese „ununterscheidbaren“ Teilchen sind die Grundlage für Quantenverschränkung und Quanteninterferenz.

Der Bi­exziton-Zerfall kann Pho­to­nen von sehr hoher Qualität erzeugen, wenn das Sys­tem gezielt mit einer opti­schen Kavi­tät ge­steu­ert wird. Unter diesen Be­ding­ungen sind die Pho­to­nen zu 90 % un­unter­scheid­bar.

Quelle: U Basel, Timon Baltisberger

In der Quanteninformationsverarbeitung sind Photonen die idealen Informationsträger. Um die Lichtteilchen für komplexe Berechnungen nutzen zu können, müssen sie jedoch exakt dieselben Eigenschaften haben – ein Aspekt, der als „Ununterscheidbarkeit“ bezeichnet wird. Bisher litten entsprechende Quellen daran, dass die erzeugten Photonen zeitlich korreliert bzw. unscharf waren, was ihre Ununterscheidbarkeit und damit Qualität stark minderte. Ein Team von Doktoranden aus Basel und Paderborn hat dieses Problem jetzt durch einen sogenannten „biexzitonischen Zerfall“ in Halb­leiter-Quanten­punkten in einem optischen Resonator gelöst. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Molekül aus zwei gebundenen Exzitonen (jeweils ein Paar aus einem Elektron und einem Elektronenloch) zerfällt und dabei ein einzelnes Exziton und ein Photon zurücklässt. „Die ‚Bi­exziton-Kas­kade‘ in einem Halb­leiter-Quanten­punkt emittiert auf Knopfdruck Photonen, welche für moderne Anwendungen hochinteressant sind. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Quantenpunkt doppelt angeregt wird und die Anregung dann zerfällt. Dadurch werden zwei Photonen erzeugt, eins nach dem anderen“, erklärt Erstautor Timon Baltisberger von der Uni Basel.

„Ein Quantenpunkt wird oft auch beschrieben als ein künstliches Atom in einem Halbleiter, das einzelne Lichtteilchen erzeugen kann. Durch die Integration in eine spezielle optische Kavität, vorstellbar wie bei einem Laser, wurde der Lichtemissionsprozess hier gezielt beschleunigt und kontrolliert“, erklärt Stefan Schumacher vom Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Uni Paderborn.

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Mit Quanten zur Information

Die Forschungsgruppe von Richard Warburton an der Uni Basel hat im Verlauf der vergangenen Jahre die Interaktion von diesen Quantenpunkten mit optischen Kavitäten intensiv erforscht und in verschiedenen Bereichen wegweisende Fortschritte erzielt. Diese Expertise konnten die Forschenden nun auf das Biexziton anwenden, um dessen Zerfall kontrolliert zu beschleunigen. Dies führt zu Photonen mit viel höherer Qualität: Sie sind zu neunzig Prozent ununterscheidbar, ohne diesen Effekt sind es bloß sechzig Pro­zent – eine markante Steigerung. „Die Resultate zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage und weisen einen Weg, um Photonen mit noch höherer Ununterscheidbarkeit zu erzeugen. Sie demonstrieren, dass der Bi­exziton-Zer­fall Photonen mit sehr hoher Qualität erzeugen kann – wenn man das System mit einer Kavität richtig steuert“, so Prof. War­burton.

Die gemeinsame Arbeit mit Arne Ludwig von der Ruhr-Uni Bochum lieferte zudem tiefe Einblicke in die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen. „Wir haben festgestellt, dass auch die Reinheit der erzeugten Photonen mittels des Resonators optimiert werden kann und nur noch durch Schwingungen im Kristallgitter des Halbleiters, also Phononen, begrenzt wird. Dieses Phänomen, genannt ‚Cavity Feeding‘, muss in zukünftigen Designs berücksichtigt werden und kann dann systematisch noch weiter minimiert werden“, erklärt Klaus Jöns von der Uni Paderborn.

Je ununterscheidbarer und reiner die erzeugten Photonen sind, desto geringer ist die Fehlerrate in der Datenverarbeitung. Quantenpunkte gelten als eine vielversprechende Technologie für die massentaugliche Erzeugung solcher Photonen. [UPB / dre]