Kontrollierte Erzeugung von Einzelphotonen-Emittern in Silizium gelungen

Durchbruch für die Entwicklung integrierter Schaltkreise, die photonische Quantenzustände effektiv steuern können.

Quantenrechner könnten in naher Zukunft Computern revolu­tio­nieren, etwa mit neuen Ansätzen für die Daten­bank­suche, bei KI-Systemen, Simulationen und mehr. Um solche Anwendungen der Quanten­technologie zu ermöglichen, werden jedoch integrierte Schaltkreise benötigt, die photonische Quanten­zustände – also Qubits – effektiv steuern können. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, der TU Dresden und des Leibniz-Instituts für Kristall­züchtung ist dabei jetzt ein Durchbruch gelungen: Sie haben erstmals die kontrollierte Erzeugung von Einzel­photonen-Emittern in Silizium auf der Nanoskala nachgewiesen.

Abb.: Kontrollierte Erzeugung von Einzel­photonen-Emittern in Silizium (rot)...
Abb.: Kontrollierte Erzeugung von Einzel­photonen-Emittern in Silizium (rot) mittels Breit­strahl­implan­ta­tion von Ionen (blau) durch eine litho­grafisch defi­nierte Maske (links) sowie durch einen ge­raster­ten fokus­sierten Ionen­strahl (rechts). Sym­bo­lisch dar­ge­stellt: die Ab­gabe zweier Einzel­pho­to­nen an dafür durch den Prozess fest­ge­leg­ten Stellen. Im Hinter­grund: Ein Elek­tro­nen­strahl er­zeugt Löcher in der litho­gra­fi­schen Maske aus Acrylat. (Bild: M. Hollen­bach, B. Schröder, HZDR)

Photonische integrierte Schaltkreise, im Englischen kurz PICs, machen sich Photonen zunutze – im Gegensatz zu den Elektronen, die in herkömm­lichen elektro­nischen Schalt­kreisen für die Informations­über­tragung sorgen. Der Haupt­unter­schied zwischen den beiden: Ein Schaltkreis mit integrierter Optik verarbeitet Signale mit Wellenlängen typischer­weise im nahen Infrarot­spektrum. „Diese PICs mit vielen integrierten photonischen Komponenten sind in der Lage, Licht auf einem einzigen Chip zu erzeugen, zu leiten, zu verarbeiten und zu detektieren“, sagt Georgy Astakhov vom HZDR. „Diese Technologie wird eine Schlüssel­rolle in der Zukunft spielen, beispiels­weise beim Quanten­computing. Und die PICs werden den Weg weisen.“

Früher waren Experimente in der Quanten­photonik notorisch für den massiven Einsatz großer Mengen von optischem Glas, die über den Experi­mentier­tisch verteilt waren und viel Platz im Labor beanspruchten. Jetzt verändern photonische Chips diese Landschaft radikal. Ihr Potenzial zur Miniatu­ri­sierung und ihre Stabilität im Betrieb empfehlen sie zudem für die Massen­produktion – sie könnten zum Arbeitspferd der modernen Quanten­photonik werden.

Die kontrollierte kompakte Integration von Einzel­photonen-Quellen würde einen ressourcen­effizienten Weg zum Einbau von Millionen von photonischen Qubits in PICs eröffnen. Um die dafür notwendigen Quanten­algorithmen auszuführen, müssen diese Photonen voneinander ununter­scheidbar sein. Das würde die industrielle Produktion von photonischen Quanten­prozessoren ermöglichen. Doch die derzeitig etablierte Herstellungs­methode steht der Kompati­bi­lität dieses viel­ver­sprechenden Konzepts mit der heutigen Halbleiter­technologie im Wege.

 

 

In einem ersten Versuch, über den sie vor etwa zwei Jahren berichteten, konnten die Forscher bereits einzelne Photonen auf einem Siliziumwafer erzeugen, allerdings nur auf zufällige und nicht skalierbare Weise. Seitdem sind sie weit vorangekommen. „Jetzt zeigen wir, wie wir mit fokussierten Ionenstrahlen aus Flüssigmetall-Legierungs-Ionenquellen Einzelphotonen-Emitter an gewünschten Positionen auf dem Wafer platzieren und dabei einen hohen Ertrag sowie eine hohe spektrale Qualität erzielen“, beschreibt Nico Klingner vom HZDR die Idee hinter der Arbeit des Teams.

Darüber hinaus unterzogen die Wissenschaftler die gleichen Einzelphotonen-Emitter einem rigorosen Materialtestprogramm: Nach mehreren Abkühl- und Aufwärmzyklen konnten sie keine Verschlechterung der optischen Eigenschaften feststellen. Mit diesen Ergebnissen sind die Voraussetzungen für eine spätere Massenproduktion gegeben.

Das Team konnte die Herstellung von Einzelphotonen-Emittern auf den Wafer-Maßstab übertragen, indem es die Ionen in handelsüblichen Implantern großflächig durch eine lithografisch definierte Maske einbringt. Die Methode ist nun mit der etablierten Halbleiterfertigung kompatibel. „Diese Arbeit ermöglichte es uns, die Vorteile des hochmodernen Reinraums für die Siliziumverarbeitung und der Elektronenstrahl-Lithographiemaschinen in der Nanofabrikationsanlage Rossendorf zu nutzen“, erklärt Ciarán Fowley vom HZDR.

Mit beiden Methoden kann das Team Dutzende von Einzelphotonen-Emittern an vordefinierten Stellen mit einer räumlichen Auflösung von etwa fünfzig Nanometern erzeugen. Sie emittieren im strategisch wichtigen O-Band der Telekommunikation und zeigen einen stabilen Betrieb kontinuierlich über Tage hinweg.

Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die kontrollierte Herstellung von Einzelphotonen-Emittern in Silizium sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für photonische Quantentechnologien macht, auf einem Herstellungsweg, der für die Umsetzung in den Großmaßstab kompatibel ist. Die Einzelphotonen-Emitter sind nun technologisch bereit für die Produktion in Halbleiterfabriken und die Integration in die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur.

HZDR / RK

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