Quantenpunkt-Qubit mit Photon verschränkt

Die quantenmechanische Verschränkung von lokalisierten Qubits mit Photonen, die durch Glasfasern weite Entfernungen zurücklegen können, würde die Übermittlung von Quanteninformation über große Distanzen ermöglichen. Zwar hat man Spins, die in isolierten Atomen oder in Stickstofffehlstellen von Diamanten gespeichert waren, mit der Polarisation von Photonen verschränkt. Doch die Ausbeute war relativ gering. Bessere Resultate erhofft man sich davon, in Quantenpunkten sitzende Elektronenspins mit Photonen zu verschränken, zumal dies eine Integration von elektronischen und photonischen Komponenten auf einem Chip erlauben würde. Zwei Forschergruppen ist diese Verschränkung von Quantenpunkt-Qubits mit Photonen jetzt gelungen.

Sowohl Atac Imamoglu und seine Kollegen von der ETH Zürich als auch ein internationales Forscherteam um Yoshihisa Yamamoto von der Stanford University haben bei ihren Verschränkungsexperimenten Halbleiterquantenpunkte (aus InGaAs bzw. InAs) benutzt, auf denen jeweils ein einzelnes Elektron saß. Ein äußeres Magnetfeld von 0,7 T bzw. 3 T sorgte aufgrund des Zeeman-Effekts dafür, dass die beiden Ausrichtungen (↑ und ↓) des Elektronenspins unterschiedliche Energie hatten (s. Abb.).

Mit einem Laserpuls wurde im Quantenpunkt ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, das sich mit dem schon vorhandenen Elektron zu einem „Trion“ zusammenschloss: Die beiden Elektronenspins bildeten ein Singlett, während der Lochspin ungepaart blieb und parallel (↑) oder antiparallel (↓) zum Magnetfeld gerichtet war. Die beiden Trionenzustände hatten also die Spinrichtungen (↑↓,↑) und (↑↓,↓), die sich wiederum aufgrund des Zeeman-Effekts in ihrer Energie unterschieden.

Zunächst brachten beide Forschergruppen den Quantenpunkt, in dem der Elektronenspin anfangs noch nicht ausgerichtet war, in einen eindeutigen Anfangszustand. Dazu regten sie den Quantenpunkt mit einem kurzen Laserpuls so an, dass er vom Elektronenzustand (↓) in den Trionenzustand (↑↓,↑) überging, aus dem er sogleich durch Rekombination und unter Abstrahlung eines „blauen“ Photons in den Elektronenzustand (↑) wechselte. Ein weiterer kurzer Lichtpuls drehte den Elektronenspin um, sodass der Quantenpunkt nun eindeutig im Zustand mit dem Spin (↓) war.

Der so präparierte Quantenpunkt wurde nun erneut mit einem kurzen Laserpuls in den Trionenzustand (↑↓,↑) gebracht. Durch Rekombination konnte der Quantenpunkt entweder in den Ausgangszustand (↓) zurückkehren und dabei ein „rotes“ Photon abstrahlen, oder er konnte wie schon zuvor in den Zustand (↑) übergehen und ein „blaues“ Photon emittieren. Das rote Photon war horizontal (H) polarisiert, das blaue vertikal (V). Da beide Übergänge gleich wahrscheinlich auftraten, waren der Spin des Quantenpunkts sowie die Farbe und die Polarisation des Photons in einem verschränkten Zustand: (↓; rot, H) + (↑; blau, V). Nach der Untersuchung des verschränkten Zustandes wurde der Quantenpunkt wieder in seinen Anfangszustand (↓) gebracht, und das Experiment konnte von vorn beginnen.

Beide Forschergruppen wiesen die Verschränkung zwischen dem Quantenpunkt und den von ihm emittierten Photon nach, indem sie deren Zustände maßen und die auftretenden Korrelationen untersuchten. Dabei gingen sie jedoch unterschiedlich vor. Imamoglu und seine Kollegen fischten aus dem vom Quantenpunkt emittierten und reflektierten Licht die abgestrahlten Photonen mit einem Zirkular-Polarisationsfilter heraus. Dabei wurde die Polarisationsverschränkung der Photonen gelöscht und es ergab sich der verschränkte Zustand (↓; rot) + (↑; blau). Die Spinrichtung war demnach mit der Farbe des Photons korreliert. Die Messungen der ETHZ-Forscher bestätigten dies. Dieselben Korrelationen traten auch dann auf, als der Spin- und der Photonenzustand „gedreht“ worden waren.

Die Forscher um Yamamoto eliminierten hingegen die Farbe der Photonen aus der Verschränkung. Dazu ließen sie die Photonen einen Abwärtswandler passieren, der aus einem periodisch gepolten Lithiumniobatkristall bestand. In ihm wurde aus einem „roten“ oder „blauen“ Photon ein Photon mit einer Wellenlänge von etwa 1560 nm, wie es zur optischen Kommunikation durch Glasfasern benutzt wird. Da sich diesem Photon nicht mehr ansehen ließ, ob es aus einem „blauen“ oder „roten“ Photon entstanden war, bildete es mit dem Quantenpunkt den reduzierten verschränkten Zustand (↓; H) + (↑; V), in dem die Farbe keine Rolle mehr spielte. Auch in diesem Fall zeigten die durchgeführten Messungen starke Korrelationen, die die Verschränkung bestätigten.

Beide Experimente belegen, dass sich Elektronenspins in Quantenpunkten effizient und sehr schnell mit Photonen verschränken lassen. Allerdings verlieren die Elektronenspin durch die Wechselwirkung mit den sie umgebenden Kernspins schon nach etwa 1 ns ihre Kohärenz. Dieses Problem tritt auch bei anderen Festkörper-Qubits auf. Die Quantenpunkt-Qubits lassen sich aber, wie das Stanford-Team gezeigt hat, erstmals direkt mit Telekommunikation-Photonen verschränken. Als nächstes könnte man versuchen, zwei weit voneinander entfernte Quantenpunkt-Qubits mit Hilfe eines Photons in einen verschränkten Zustand zu bringen, oder zwei photonische Qubits durch einen Quantenpunkt miteinander zu verschränken.

Rainer Scharf

OD