Quantenpunkte als Lichtschalter

Die Wechselwirkung zwischen Photon und Halbleiter könnte den Bau von skalierbaren Modulen für zukünftige Quantencomputer erleichtern.

Stanford/Pasadena (USA) – In der gezielten Manipulation einzelner Photonen liegt ein Schlüssel für den Aufbau von Quantencomputern. Entsprechende, kontrollierte Wechselwirkungen von Lichtteilchen mit einzelnen Atomen oder supraleitenden Nanoschaltkreise konnten bereits beobachtet werden. Nun gelang es gleich zwei amerikanischen Forschergruppen unabhängig voneinander, diese Photonen-Kontrolle auch mit Halbleiter-Quantenpunkten zu realisieren. Über ihre Ergebnisse, die für quantenphysikalische Experimente und für skalierbare Quanteninformationsmodule von Bedeutung sind, berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature“.

„Die Demonstration der von einem Quantenpunkt kontrollierten Reflektivität hat weitreichende Folgen für Quanteninformationsprozesse“, schreiben Dirk Englund und seine Kollegen von der Stanford University. Vereinfacht entspricht ihr Versuchsaufbau einem winzigen Quantenschalter, der das Verhalten einzelner Lichtteilchen regelt. Dazu positionierten sie einen Quantenpunkt aus Indiumarsenid in einen photonischen Kristall aus Galliumarsenid.

Den Quantenpunkt regten die Forscher mit einem Laser bei 780 Nanometer Wellenlänge (20 Nanowatt) zur Photolumineszenz an. Die dabei ausgesendeten Photonen können nun je nach den gewählten Randbedingungen in den photonischen Kristall einkoppeln oder von diesem reflektiert werden. Für diesen Schaltprozess ist wiederum der Quantenpunkt verantwortlich. Dazu wird das gesamte Modul mit einem zweiten Laser (Ti-Saphir, 905 nm) aufgeheizt, wodurch sich die Wellenlänge der ausgesendeten Photonen geringfügig verändert. Die Temperatur variiert dabei zwischen 27 und 33 Kelvin. In der Resonanz des photonischen Kristalls bei etwa 927,35 Nanometer steigt die Reflexion, gemessen mit einem CCD-Spektrometer, deutlich von unter 10 auf über 70 Prozent an.

Ein ähnliches Verhalten beobachteten Oskar Painter und Kollegen am California Institute of Technology in Pasadena. Als Material für ihren schaltenden Quantenpunkt wählten sie ebenfalls Indiumarsenid innerhalb eines photonischen Kristalls aus Galliumarsenid. Allerdings analysierten sie das schaltbare Reflexionsverhalten für Photonen im Infrarot-Bereich (~1295 Nanometer).

Beide Experimente zeigen, dass in photonische Kristalle eingelagerte Quantendots die Transmission und Reflexion von Lichtteilchen kontrollieren können. Die Forscher rechnen damit, dass mit diesen Methoden nun die nicht-klassischen Zustände von einzelnen Lichtteilchen besser untersucht werden. Da man im Prinzip Quantendots und photonische Kristalle in großer Anzahl herstellen und koppeln kann, hoffen sie sogar, dass sich damit miteinander verknüpfte Schaltelemente für einen zukünftigen Quantencomputer verwirklichen lassen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Dirk Englund et al., Controlling cavity reflectivity with a single quantum dot, Nature 450, 857 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06234
• Kartik Srinivasan & Oskar Painter, Linear and nonlinear optical spectroscopy of a strongly coupled microdisk–quantum dot system, Nature 450, 862 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06274
• Stanford University:
  http://www.stanford.edu
• Ginzton Laboratory:
  http://www.stanford.edu/group/ginzton/
• Caltech, Pasadena:
  http://www.caltech.edu
• Center for the Physics of Information:
  http://www.cpi.caltech.edu

Weitere Literatur:

• Hennessy, K. et al. Quantum nature of a strongly coupled single quantum dotcavity system. Nature 445, 896–899 (2007).
• Cirac, J. I., Zoller, P., Kimble, H. J. & Mabuchi, H. Quantum state transfer and entanglement distribution among distant nodes in a quantum network. Phys. Rev. Lett. 78, 3221–3224 (1997).
• Rauschenbeutel, A. et al. Coherent operation of a tunable quantum phase gate in cavity QED. Phys. Rev. Lett. 83, 5166–5169 (1999).
• Kimble, H. J. in Cavity Quantum Electrodynamics (ed. Berman, P.) 213–219 (Academic, San Diego, 1994).