Neue Quantenpunkte ermöglichen Kopplung an andere Speichersysteme

Forscher der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum haben Quanten­punkte realisiert, die Licht nahe dem roten Spektral­bereich bei geringem Hinter­grund­rauschen aussenden. Quanten­punkte könnten eines Tages die Basis für Quanten­computer bilden. Dabei wären Photonen die Träger der Information. Doch Quanten­punkte mit hinreichend guten optischen Eigen­schaften waren bislang nur für Photonen mit Wellen­längen im Nah-Infrarot-Bereich erzielt worden. Jetzt gelang es den Forschern, rauscharme Zustände bei Wellen­längen zwischen sieben- und acht­hundert Nano­metern zu erzeugen. Das würde unter anderem eine Kopplung an andere Speicher­systeme ermöglichen.

Systeme für die Quanten­kommuni­ka­tion erfordern Photonen unter­schied­licher Wellen­längen. Für die Kommuni­ka­tion über lange Strecken müssen vor allem Signal­verluste vermieden werden. Dafür eignen sich Wellen­längen um 1550 Nano­meter. Auf kurzen Distanzen dagegen werden Photonen benötigt, die möglichst effektiv detektiert und mit anderen Speicher­systemen zusammen­ge­schaltet werden können. Mit Licht zwischen sieben­hundert und acht­hundert Nano­metern wäre das möglich.

Aktuell verfügbare Photonen­detektoren haben ihre höchste Sensitivität in diesem Bereich. Außerdem könnten Licht­teilchen dieser Frequenz mit einem Rubidium-Speicher­system gekoppelt werden. Damit Informa­tionen in einem Quanten­system präzise codiert, manipu­liert und ausge­lesen werden können, ist eine stabile optische Emission entscheidend. Genau das erreichten die Forscher jetzt für Photonen nahe dem sicht­baren roten Bereich.

Für die Arbeit kooperierte das Team um Richard Warburton von der Uni Basel mit der Gruppe um Andreas Wieck, Arne Ludwig und Julian Ritzmann von der Uni Bochum. Die Quanten­punkte setzten die Forscher in einem Halb­leiter aus Gallium-Arsenid um. Da das System mit flüssigem Helium gekühlt werden muss, arbeitet es bei tiefen Temperaturen von minus 269 Grad Celsius.

Eine besondere Herausforderung war es, eine Diode mit Gallium-Arsenid-Quanten­punkten zu designen, die bei diesen tiefen Temperaturen verlässlich Photonen aussendet. Das Team in Bochum erzeugte dazu Aluminium-Gallium-Arsenid-Schichten mit einem geringeren Aluminium­anteil als üblich, was Leit­fähig­keit und Stabilität verbesserte. Dieses Material nutzte das Team in Basel für den Versuchs­aufbau.

Im nächsten Schritt wollen die Wissen­schaftler daran arbeiten, die neu entwickelten Quanten­punkte mit einem Rubidium-Speicher zu kombinieren. Solche Hybrid­strukturen wären ein erster Schritt in Richtung eines Quanten­kommuni­ka­tions­netzwerks.

RUB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Zhai et al.: Low-noise GaAs quantum dots for quantum photonics, Nat. Commun. 11, 4745 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-18625-z
• Angewandte Festkörperphysik (A. Wieck), Ruhr-Universität Bochum
• Nano-Photonics Group, Dptm. Physik, Universität Basel, Schweiz

Weitere Beiträge

• Focus Section "Quantum Technologies", PhotonicsViews 6/2020