Neue Quelle für einzelne Photonen
Quantenpunkt erzeugt Milliarden ausgerichtete Photonen pro Sekunde.
Quantenkryptografie verspricht absolut abhörsichere Kommunikation. Eine Schlüsselkomponente sind dabei einzelne, aneinander gereihte Photonen. In den Quantenzuständen der Lichtteilchen lassen sich Informationen speichern und über große Distanzen übertragen. Künftig könnten entfernte Quantenprozessoren über einzelne Photonen miteinander kommunizieren. Und vielleicht wird der Prozessor selbst Photonen als Quantenbits zum Rechnen verwenden. Eine Grundvoraussetzung für derlei Anwendungen sind jedoch effiziente Einzelphotonenquellen. Ein Forschungsteam um Richard Warburton, Natasha Tomm und Alisa Javadi von der Universität Basel berichtet nun gemeinsam mit Kollegen aus Bochum von der Entwicklung einer Einzelphotonenquelle, welche bisher bekannte Systeme an Effizienz deutlich übertrifft.
Jedes Photon wird dabei durch die Anregung eines einzelnen Quantenpunkts innerhalb eines Halbleiters erzeugt. Normalerweise verlassen diese Photonen den Quantenpunkt in alle möglichen Richtungen und so geht ein Großteil verloren. Bei der nun vorgestellten Photonenquelle haben die Forscher dieses Problem gelöst, indem sie den Quantenpunkt in einer Art Trichter positioniert haben, um alle Photonen in eine bestimmte Richtung zu schicken.
Bei dem Trichter handelt es sich um einen neuartigen Mikro-Hohlraum: Der Mikro-Hohlraum fängt fast alle Photonen ein und leitet sie dann in eine optische Faser. Die jeweils etwa zwei Zentimeter langen Photonen treten am Ende der optischen Faser aus. Der Wirkungsgrad des gesamten Systems – also die Wahrscheinlichkeit, dass die Anregung des Quantenpunkts tatsächlich zu einem verwendbaren Photon führt – ist mit 57 Prozent mehr als doppelt so hoch wie bei bisherigen Einzelphotonenquellen. „Das ist ein besonderer Moment für uns“, sagt Studienleiter Warburton. „Wir wissen schon seit ein oder zwei Jahren, was im Prinzip möglich ist. Jetzt haben wir es geschafft, unsere Ideen in die Praxis umzusetzen.“
Die Effizienzsteigerung habe bedeutende Konsequenzen, so Warburton weiter: „verdoppelt man die Effizienz für die Generation eines einzelnen Photons, summiert sich diese Verbesserung bei einem String aus beispielsweise zwanzig Photonen auf den Faktor eine Million. In Zukunft möchten wir unsere Einzelphotonenquelle noch besser machen: Wir möchten sie vereinfachen und einige ihrer unzähligen Anwendungen in Quantenkryptografie, Quantenrechnern und anderen Technologien verfolgen.“
U. Basel / JOL
