Hochstabiles Licht für Quanteninformation
Klassisches Messen und Regeln am Quantenpunkt sorgt für frequenzreine Photonen.
Mit einem einzelnen Photon ist es möglich, Quanteninformationen zu übertragen. Die Information befindet sich beispielsweise in der Polarisation oder in der Phase des Photons und lässt sich für Quantenkommunikation und Quantencomputerfunktionen nutzen. Eine Grundvoraussetzung für diese Anwendungen sind Quellen von einzelnen Photonen. Halbleitermaterialien aus wenigen 100.000 Atomen, sogenannte Quantenpunkte, sind eines der vielversprechendsten Systeme für solche einzelne Photonenquellen. Ein Hauptproblem ist jedoch die Wellenlänge der von Quantenpunkten erzeugten Photonen, denn diese wandert zufällig und befindet sich nie bei einem festen Wert.
Die Ursache für die Fluktuationen der Wellenlängen der Photonen liegt in Störquellen in der Umgebung des Quantenpunkts, die in Form von wandernden elektrischen Ladungen innerhalb des Halbleiters auftreten. Um dieses Rauschen zu unterdrücken, haben Forscher um Richard Warburton vom Departement Physik der Universität Basel ein aktives, quantenmechanisch-klassisches Hybridsystem entwickelt, das einen einzelnen Quantenpunkt mit einem stabilisierten Laser koppelt. Der Stabilisierungsmechanismus misst die auf Fluktuationen höchst sensitive Absorption des Quantenpunktes und regelt aktiv mit dem entgegengesetzten Effekt das elektrische Feld in der Umgebung des Quantenpunkts nach.
Auf diese Weise konnte die Forschungsgruppe einen nahezu perfekten Strom von gleichfarbigen Photonen erzeugen. Das Besondere dabei ist, dass Quantensysteme über klassische Regelungen zu technisch nutzbaren Funktionalitäten gebracht werden können, was bisher in keinem anderen Labor gelungen ist.
Die neuen Erkenntnisse haben das Potential der stabilen Einzelphotonenquelle – durch die höchst effektive Unterdrückung der Ladungsfluktuationen – und können auch für die Verbesserung von halbleiterbasierenden Quantensystemen nützlich sein, zum Beispiel von sogenannten Spin-Qubits. Die Studie wurde durch den Nationalen Forschungsschwerpunkt „QSIT – Quantum Science and Technology“ der Schweiz unterstützt.
U. Basel / PH
