Kompakte On‐Chip‐Photonenpaar‐Quellen
Verschränkte Photonen für industrielle quantentechnologische Anwendungen.
Das Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik startet ein Projekt zu kompakten On-Chip-Quellen für verschränkte Photonen, die eine wichtige Komponente für die Realisierung industrieller quantentechnologischer Anwendungen sind. Die Wissenschaftler untersuchen im Projekt QuoAlA auf Aluminiumgalliumarsenid basierende Wellenleiter als Quellen zur Erzeugung von verschränkten Photonen. AlGaAs ermöglicht eine besonders kompakte Bauform und Chipintegration. Das Projekt ist im Februar gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung innerhalb des Förderprogramms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ gefördert.
Die Hauptkomponenten quantenphotonischer Systeme wie Spiegel, Strahlteiler und Phasenschieber sind mittlerweile alle in integrierter Form realisierbar. Gleiches gilt jedoch nicht für die ebenfalls benötigten Lichtquellen und Detektoren. „Unser Ziel ist es, alle Funktionen, die für die Quantenkommunikation benötigt werden, also für die Erzeugung, Manipulation und Detektion von einzelnen und verschränkten Photonen, in nur einem Chip zu integrieren“, erläutert Thorsten Passow, Projektleiter am Fraunhofer-IAF. Einen ersten Schritt in Bezug auf die Lichtquellen machen die Forscher mit dem Projekt „QuoAlA – Quantenverschränkte Photonenpaar-Quelle bei Telekom-Wellenlängen auf Basis von AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleitern“.
Im Zentrum von QuoAlA stehen grundlegende Untersuchungen von auf AlGaAs basierenden Photonen-Quellen und ihrer epitaktischen Herstellung. Ziel ist die Erzeugung von Photonenpaaren mit einer hohen Qualität der Verschränkung bei exakt definierter Wellenlänge. Angestrebt wird dabei eine Wellenlänge von 1550 Nanometern, also im Telekom-Bereich. Das Halbleitermaterial AlGaAs ist aus mehreren Gründen ein vielversprechendes Material für Photonenpaar-Quellen. So verfügt es beispielsweise über nichtlineare Eigenschaften. In einem Material mit nichtlinearen Eigenschaften kann bei hoher Lichtintensität aufgrund eines optischen Effektes ein Photon spontan in zwei Photonen zerfallen. Die zwei so entstandenen Lichtteilchen können quantenmechanisch verschränkt sein.
Zudem ermöglichen AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleiter die Integration mit anderen optischen und elektronischen Komponenten auf Chipebene. „Ein Alleinstellungsmerkmal der im Projekt QuoAlA verwendeten Technologie ist das Potenzial eine Pumplaserdiode zu integrieren. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform ermöglicht“, betont Passow. Durch eine reduzierte Größe, Gewicht und Leistung der Komponenten wäre damit eine wesentliche Voraussetzung für die Realisierung praktischer Anwendungen erfüllt.
Für die Anwendung als Quelle in der Telekommunikation muss die Wellenlänge der Photonen sehr präzise eingestellt werden können, weil der Wellenlängenabstand der Kanäle kleiner als ein Nanometer ist. Die Wellenlänge der erzeugten Photonen hängt dabei sehr empfindlich von der epitaktisch hergestellten Schichtstruktur der Wellenleiter ab. Im Fokus des Projekts steht daher die Genauigkeit der Epitaxie von auf AlGaAs basierten Bragg‐Reflexions-Wellenleitern hinsichtlich der Wellenlänge der erzeugten verschränkten Photonen.
Die jahrzehntelange Erfahrung des Fraunhofer-IAF in der Epitaxie von qualitativ hochwertigen GaAs-basierten Heterostrukturen sowie in der Prozesstechnologie zur Realisierung von Wellenleiterstrukturen in verschiedenen III/V-Halbleitermaterialien fließen bei den AlGaAs-Wellenleiterstrukturen im Projekt ein. Zudem nutzen die Wissenschaftler eine Software zur optischen Simulation von Bragg-Reflexions-Wellenleitern, die sie zuvor im Projekt NESSiE entwickelt haben.
Fh.-IAF / RK
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