„Künstliche Atome“ als Photonenspucker
Einzelne Photonenpaare aus Quantenpunkten erzeugt und direkt nachgewiesen.
Kleine Halbleiterstrukturen zeigen ähnliche Quanteneffekte wie einzelne Atome. Solche Quantenpunkte nutzten Physiker der Universität Innsbruck nun, um paarweise Photonen zu produzieren. Das Team verwendet für sein Experiment Quantenpunkte aus dem Halbleitermaterial Indiumarsenid.
Abb.: Mit einem gepulsten Laser werden in Quantenpunkten gezielt einzelne Photonenpaare erzeugt. (Bild: U. Innsbruck)
Jeder Quantenpunkt bestand aus rund 10.000 Atomen. Mit flüssigem Helium wurden die in einem geschichteten Material eingebetteten Quantenpunkte stark abgekühlt. Um Photonenpaare zu erzeugen, regten die Physiker die Quantenpunkte mit einem gepulsten Laserstrahl an. Die von einem einzelnen Quantenpunkt emittierten Photonen sammelten sie mit einem Mikroskop-Objektiv. „Wir wählen die Frequenz des Anregungslasers so aus“, erklärt Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck, „dass sie genau zwischen den Frequenzen der beiden Photonen liegt. So können wir das Photonenpaar eindeutig nachweisen, ohne dass der Anregungslaser unsere Messung stört.“
Die Experimente der Gruppe um Gregor Weihs belegen, dass diese neue Photonenpaarquelle extrem effizient arbeitet. Es können gezielt einzelne Photonenpaare erzeugt werden. „Dies ist ein großer Vorteil gegenüber den heute gängigen Quellen aus Halbleiterkristallen, bei denen die Photonen relativ unkontrolliert erzeugt werden“, freut sich Weihs. „Auch der technische Aufwand ist gegenüber den bisher entwickelten Einzelphotonenquellen deutlich geringer.“
„Für viele Anwendungen ist es interessant, Photonenpaare kontrolliert und damit ununterscheidbar zu erzeugen“, sagt der Experimentalphysiker. „Auch lassen sich diese Photonen miteinander verschränken und so zum Beispiel für die Quantenkryptografie oder für optische Quantencomputer verwenden.“ Technologisch sind Quantenpunkte als Photonenquellen deshalb so interessant, weil sie analog zu herkömmlicher Computerchip-Technologie auf einem Halbleiterchip integriert und mit optischen Schaltkreisen verbunden werden können.
Die international zusammengesetzte Forschergruppe der Universität Innsbruck arbeitete bei dem Experiment mit Wissenschaftlern des Joint Quantum Institute in Maryland, USA, zusammen und wurde unter anderem vom Europäischen Forschungsrat ERC und dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF unterstützt.
U. Innsbruck / PH
