Quantenkommunikation: Jedes Photon zählt!
Durchbruch bei der Herstellung eines effektiven Einzelphotonendetektors.
Ultraschnelle, effiziente und zuverlässige Einzelphotonendetektoren sind begehrte und dennoch bis heute noch nicht anwendungsreife Komponenten in der Photonik und der Quantenkommunikation. Der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppenleiter Wolfram Pernice vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erzielte nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Yale, Boston und Moscow State Pedagogical den entscheidenden Durchbruch mit einem direkt in den Chip integrierten Einzelphotonendetektor. Der Detektor schafft gleichzeitig höchste Wiedergabetreue und Auswertungsgeschwindigkeit und hat eine nur sehr geringe Fehlerquote.
Abb.: Der Einzelphotonendetektor punktet bei den fünf Faktoren Entdeckungseffizienz, direkte Integration auf dem Chip, Zählraten im Gigahertztempo, hohe zeitliche Auflösung und vernachlässigbare Dunkelzählraten. (Bild: KIT)
Der Clou sind die supraleitenden Nanodrahtdetektoren, die direkt auf einem nanophotonischen Wellenleiter aufgebracht werden. Bildlich darf man sich das wie eine lichtleitende Röhre vorstellen, um die ein Draht gewickelt ist, der sich im supraleitenden Zustand befindet und deswegen keinerlei elektrischen Widerstand aufweist. Der nanometerdünne Draht aus Niobnitrid absorbiert Photonen, die sich entlang des Wellenleiters ausbreiten. Wird ein Photon absorbiert, kommt es zum Verlust der Supraleitung, was sich als elektrisches Signal bemerkbar macht. Je länger diese Röhre ist, desto größer ist die Detektionswahrscheinlichkeit – dabei handelt es sich von Längen im Mikrometerbereich.
Eine weitere Besonderheit des Detektors ist, dass er direkt auf dem Chip installiert ist und somit beliebig vervielfältigt werden kann. Die bisher realisierten Einzelphotonendetektoren waren eigenständige Einheiten, die „vor den Chip geschaltet“ wurden. Eine solche Anordnung hat den großen Nachteil, dass Photonen in der zusätzlich benötigten Faserverbindung verloren gehen oder anderweitig absorbiert werden. Bei dem nun vollständig in den Silizium-Schaltkreis für Photonen eingebetteten Detektor entfällt diese Verlustquelle. Das führt neben der hohen Entdeckungseffizienz zu einer bemerkenswert niedrigen Dunkelzählrate. Bei einer Dunkelzählung handelt es sich um ein fälschlich detektiertes Photon, beispielsweise infolge einer spontanen Emission, eines Alphateilchens oder eines Störfeldes. Die Konstruktion ermöglicht auch eine ultrakurze Genauigkeitsschwankung von 18 Picosekunden bei der Übertragung der Datensignale.
Die neuartige Lösung ermöglicht es darüber hinaus, mehrere Hunderte dieser Detektoren auf einem einzelnen Chip zu integrieren. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die künftige Nutzung in optischen Quantenrechnern.Der in dieser Studie demonstrierte Detektor wurde mithilfe von Wellenlängen in Telekom-Bandbreite analysiert. Dieselbe Detektorarchitektur kann aber auch für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Licht eingesetzt werden. Damit lässt sich das Prinzip für die Analyse all solcher Strukturen einsetzen, die nur wenige Photonen emittieren, beispielsweise einzelne Moleküle oder Bakterien.
KIT / OD
