Kompakte Ein-Photonen-Quelle

Die Nutzung von einzelnen Licht­quanten als Informa­tionsträger in der Quanten­kommunikation und Quanten­computertech­nologie wird weltweit erforscht. Dabei soll ein einzelnes Photon als Informa­tionsträger dienen. Eines der bis­herigen Probleme: Die Techno­logie ist sensibel, da sie in der Regel fast aus­schließlich im Vakuum und bei sehr niedrigen Tempera­turen nahe dem absoluten Nullpunkt funktioniert, was bisher aufwändige Labor­apparaturen voraus­setzte und damit die Nutzung dieser Techno­logie stark einschränkte. In der Arbeits­gruppe von Stephan Reitzen­stein am Institut für Festkörper­physik der TU Berlin ist es jetzt gelungen, eine Plug & Play-Quelle von Licht­quanten zu bauen.

„Das System beruht auf einem künst­lichen Atom, also einem Quanten­punkt, auf einem Halbleiter­chip. Genau über diesem Quanten­punkt können wir in einer von uns entwickelten einzig­artigen Technik eine Mikro­linse anbringen. Diese Linse sammelt die von dem Quanten­punkt ausge­sandten Photonen effizient ein, sodass wir später eine hohe Datenüber­tragungsrate in der Quanten­kommunikation realisieren können“, erklärt Tobias Heindel aus der Arbeits­gruppe von Reitzen­stein. Zur Nanostruk­turierung des Halbleiter­chips wurde eine eigens entwickelte revolu­tionäre Technik eingesetzt, mit der eine Mikro­linse exakt über einem ausge­wählten Quanten­punkt platziert wird – mit diesem Verfahren gelangen der Gruppe in den letzten Jahren bereits zahl­reiche wissen­schaftliche Erfolge.

Um eine Quanten- oder Photonen­quelle jedoch auch in der Quanten­kommunikation außerhalb der Labors in der Praxis nutzen zu können, müssen die Photonen zusätzlich effi­zient in ein optisches Glasfaser­kabel gekoppelt werden. Genau solche Fasern bilden bereits heute die Grundlage für die weltweite Datenüber­tragung im Internet und sollen in Zukunft auch das Quanten-Internet ermög­lichen. Der Clou der neuen Arbeiten: Es ist gelungen, eine optische Glas­faser exakt über dem Quanten­punkt zu posi­tionieren und zu fixieren, wodurch die abge­strahlten Photonen direkt aufge­fangen und über große Distanzen weiter­geleitet werden können. „Ent­scheidend dabei ist, dass wir die Oberfläche des Halb­leiters, auf der unserer Quanten­punkt sitzt, optisch scannen und das Glasfaser­kabel dann in einem relativ robusten Prozess bei Raum­temperatur exakt über der Mikro­linse mit Epoxid­harz fixieren“, so Heindel.

Das ganze System aus Halb­leiterchip mit Quanten­punkt, Mikrolinse und exakt ausge­richteter und fixierter Glas­faser wird dann in einen Stirling-Kühler eingebaut. Bei dem Stirling-Kühler handelt es sich um eine kommer­ziell verfüg­bare Appara­tur, die dazu dient, den Halbleiter­chip auf die benö­tigten tiefen Tempera­turen, nur wenige zehn Kelvin oberhalb des abso­luten Temperatur­nullpunkts, herunter zu kühlen. Der große Vorteil dieser Anordnung: Die gesamte Quanten-Quelle inklu­sive Stirling-Kühler findet in einer durch­schnittlichen Schreib­tischschub­lade Platz und benötigt lediglich einen 220-Volt-Netzan­schluss. Zum Vergleich: Typische Quanten­lichtquellen der Forscher nehmen meist ein ganzes Labor mit aufwän­diger und teurer Helium-Kühltechnik in Anspruch. Das Glasfaser­kabel ermöglicht den Transport der Quanten auch über große Distanzen. „Damit bieten sich ganz neue Möglich­keiten für den Einsatz in der Quanten­kommunikation“, weiß Heindel. So könnte die hier entwickelte Q-Source in Zukunft fester Bestand­teil abhör­sicherer Kommunika­tionskanäle im Quanten-Internet werden.

TU Berlin / JOL