28.11.2022

Lichtquanten blitzschnell sortieren

Einzelne Photonen mit Nanoschallwellen auf kleinem Chip kontrolliert.

Einem deutsch-spanischen Forscherteam um Hubert Krenner vom Physikalischen Institut der West­fälischen Wilhelms-Universität Münster ist es gelungen, einzelne Photonen auf einem Chip mithilfe einer Schallwelle gezielt zwischen zwei Ausgängen mit Gigahertz-Frequenzen hin und her zu schalten. Diese erstmals gezeigte Methode kann nun für akustische Quanten­technologien oder komplexe integrierte photonische Netzwerke angewandt werden.

 

Abb.: Ein fokussierter Laserstrahl (links, blau) erzeugt mithilfe eines...
Abb.: Ein fokussierter Laserstrahl (links, blau) erzeugt mithilfe eines Quanten­punkts einzelne Photonen in einem photonischen Wellenleiter (rot), der auf einer Einkristall­schicht hergestellt wurde. (Bild: D. Bühler)

Licht- und Schallwellen bilden das technologische Rückgrat moderner Kommunikation. Während Glasfasern mit Laserlicht das weltweite Internet aufspannen, werden Chips für Nano­schallwellen zur drahtlosen Daten­übertragung mit Gigahertz-Frequenzen zwischen Smartphones, Tablets oder Laptops verwendet. Eine der drängendsten Fragen für die Zukunft ist daher, wie diese Technologien um Quanten­systeme erweitert werden können, um beispiels­weise abhörsichere Quanten­kommunikations­netzwerke aufzubauen.

„Lichtquanten oder Photonen spielen bei der Entwicklung von Quantentechnologien eine ganz zentrale Rolle“, unterstreicht Hubert Krenner, der die Studie in Münster und Augsburg leitet. „Unserem Team ist es nun gelungen, einzelne Photonen auf einem daumen­nagelgroßen Chip zu erzeugen und dann mit bisher unerreichter Präzision exakt getaktet mit Hilfe von Schallwellen zu kontrollieren.“ Mauricio de Lima, der an der Universität Valencia forscht und die dortigen Arbeiten koordinierte, ergänzt: „Das Funktionsprinzip unseres Chips war uns zwar für ‚klassisches‘ Laserlicht bekannt. Doch jetzt ist uns mit Lichtquanten der langersehnte Durchbruch hin zu Quanten­technologien gelungen.“

In ihrer Studie fertigten die Forscher einen Chip, der mit winzigen Wellenleitern für Lichtquanten ausgestattet ist. Diese sind zirka dreißigmal dünner als ein menschliches Haar. Zusätzlich enthielt dieser Chip Quanten­punkte als Lichtquellen. Matthias Weiß von der Universität Münster, der die optischen Experimente durchführte, erläutert: „Diese Quanten­punkte sind wenige Nanometer große Inseln im Inneren der Wellenleiter, die Licht als einzelne Photonen abstrahlen. In unserem Chip sind die Quanten­punkte mit eingebaut und wir müssen einzelne Photonen nicht erst kompliziert mit einer anderen Quelle erzeugen und mit den Wellenleitern koppeln.“ Dominik Bühler, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Valencia die Quanten-Chips entworfen hat, weist auf die Schnelligkeit der Technik hin: „Mithilfe der Nanoschallwellen ist es uns möglich, die direkt auf dem Chip erzeugten Photonen mit vorher nicht erreichter Geschwindigkeit während ihrer Ausbreitung in den Wellenleitern zwischen zwei Ausgängen hin und her zu schalten.“

Die Forscher sehen ihre Ergebnisse als einen Meilenstein auf dem Weg zu hybriden Quanten­technologien, da sie drei verschiedene Quantensysteme kombinieren: Quanten­lichtquellen in Form der Quantenpunkte, die erzeugten Lichtquanten sowie Phononen, die Quantenteilchen der Schallwelle. Die an der Universität Valencia entworfenen und am Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörper­elektronik mit Quanten­punkten der TU München hergestellten hybriden Quanten-Chips übertrafen die Erwartungen des Forschungsteams.

Das internationale Team hat einen weiteren entscheidenden Schritt hin zu akustischen Quanten­technologien gemacht. „Wir arbeiten bereits mit Hochdruck daran, unseren Chip zu erweitern, um den Quantenzustand der Photonen beliebig programmieren zu können oder sogar mehrere Photonen mit unterschiedlichen Farben zwischen vier oder mehr Ausgängen zu sortieren“, blickt Mauricio de Lima in die Zukunft. Hubert Krenner fügt hinzu „Hier kommt uns eine einzigartige Stärke unserer Nano­schallwellen zugute. Da diese sich nahezu verlustfrei auf der Chipoberfläche ausbreiten, können wir elegant fast beliebig viele Wellenleiter mit einer einzigen Welle hochpräzise kontrollieren.“

WWU / DE

 

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