05.09.2018

Rekordquelle verschränkter Photonen

Optische Breitbandantenne mit einer Ausbeute von 37 Prozent pro Puls.

Bei verschränkten Photonen führt jede Änderung des Quanten­zustands des einen Photons zu einer ent­spre­chen­den Ände­rung des ent­fernten Partners. Hier liegt ein großes Anwen­dungs­poten­zial für die künf­tige Quanten­kommu­ni­ka­tion, insbe­sondere für die Ent­wick­lung abhör­sicherer Kommu­ni­ka­tions­systeme. Wich­tige Voraus­setzungen für die Umsetzung einer solchen Techno­logie sind, dass ver­schränkte Photonen in defi­nierter Qualität und in aus­reichender Menge erzeugt werden und über weite Ent­fer­nungen über­mittelt werden können. Letz­teres ist mit großen Ver­lusten ver­bunden, so dass in Glas­faser­leitungen bisher nur hundert Kilometer reali­siert werden konnten. Vor einem Jahr haben Wissen­schaftler aus China per Satellit eine Ent­fernung von 7600 Kilo­metern über­winden können. Je licht­stärker die ver­schränkten Photonen­quellen sind, desto robuster wird das System gegen­über Ver­lusten bei großen Distanzen. Die Ent­wick­lung besonders heller ver­schränkter Photonen­quellen ist des­halb ein wich­tiger Ansatz, die Quanten­kommu­ni­ka­tion über lange Reich­weiten zu reali­sieren.

Abb.: Optischer Aufbau für Experi­mente mit ver­schränkten Photonen am IFW. (Bild: J. Lösel, L.-IFW)

Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoff­forschung IFW in Dresden hat in Zusammen­arbeit mit der Uni Hannover einen neuen Rekord auf­ge­stellt: Ein Forscher­team unter Leitung von Oliver Schmidt und Fei Ding hat eine Quelle ver­schränkter Photonen mit einer bisher uner­reichten Hellig­keit ent­wickelt. Die Photonen­quelle besteht aus einer optischen Breit­band­antenne, die ver­schränkte Photonen­paare effi­zient aus Halb­leiter-Quanten-Punkten aus­koppelt. Die Antenne arbeitet in einem breiten Wellen­längen­bereich und ist in der Lage, energe­tisch ver­schie­dene Photonen gleich­gut zu ent­senden. Auch in Bezug auf andere Para­meter erreicht die neue Photonen­quelle Spitzen­werte: Die Rein­heit des Signals beträgt 99,8 Prozent und der Ver­schrän­kungs­grad 90 Prozent.

„Die Optimierung einer derartigen Photonenquelle hin­sicht­lich einer Viel­zahl ihrer Eigen­schaften stellt eine besondere Heraus­forde­rung unserer Arbeit dar“, sagt Robert Keil vom IFW. „Unsere ver­schränkten Photonen werden darüber hinaus von dem in der Opto­elek­tronik häufig ein­ge­setzten Halb­leiter­material Gallium­arsenid erzeugt“, ergänzt Ding. Das ermög­licht die Her­stel­lung von Bau­ele­menten, die auf etab­lierten Halb­leiter­techno­logien basieren und somit für eine zukünf­tige indus­trielle Ferti­gung in Frage kommen. „Die Arbeit stellt einen wich­tigen Schritt zur Aus­lotung des Anwen­dungs­poten­zials von optischen Quanten­techno­logien dar“, betont Schmidt, der mit seinem Team bereits vor drei Jahren die schnellste Quelle ver­schränkter Photonen demon­strieren konnte.

L.-IFW / RK

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