Durch­bruch in der Quan­ten­tech­no­lo­gie

Abso­lut abhör­si­che­re Über­tra­gung gro­ßer Daten­men­gen: Die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on ver­spricht vie­le Vor­tei­le gegen­über heu­te gän­gi­gen Tech­no­lo­gien. Aller­dings wer­den dafür Ein­zel­pho­to­nen benö­tigt – sie zu erzeu­gen ist aber sehr schwie­rig. For­schen­de der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen (TUM) und des Exzel­lenz­clus­ters Munich Cen­ter for Quan­tum Sci­ence and Tech­no­lo­gy (MCQST) haben eine neue Metho­de ent­wi­ckelt, die die Pro­ble­me bis­he­ri­ger Ansät­ze über­win­det. Statt die gewünsch­te Fre­quenz zu ver­stär­ken, unter­drü­cken die For­schen­den gezielt uner­wünsch­te Fre­quen­zen.  Bis­her kom­men für die Pro­duk­ti­on von Ein­zel­pho­to­nen meist soge­nann­te Reso­na­to­ren zum Ein­satz – win­zi­ge opti­sche Struk­tu­ren, die die Pho­to­nen­quel­len so beein­flus­sen, dass sie Licht ver­mehrt bei einer bestimm­ten Fre­quenz abge­ben. Die­se Reso­na­to­ren funk­tio­nie­ren jedoch nur in einem engen Fre­quenz­be­reich und müs­sen prä­zi­se auf die jewei­li­ge Pho­to­nen­quel­le abge­stimmt wer­den.

For­schen­de der TUM und des MCQST haben des­halb einen neu­en Ansatz ent­wi­ckelt und gehen den umge­kehr­ten Weg. Anstatt die Emit­ter dazu zu brin­gen, ver­mehrt Licht bei einer bestimm­ten Fre­quenz abzu­ge­ben, pas­sen sie die Umge­bung des Emit­ters so an, dass weni­ger Licht bei uner­wünsch­ten Fre­quen­zen abge­ge­ben wer­den kann. Dafür nut­zen sie pho­to­ni­sche Kris­tall­wel­len­lei­ter. Das sind Nano­struk­tu­ren, die durch regel­mä­ßig ange­ord­ne­te Struk­tu­ren Wege blo­ckie­ren, über die eine Pho­to­nen­quel­le Licht aus­sen­den kann. Das Team baut die pho­to­ni­schen Kris­tall­wel­len­lei­ter dabei so, dass sie nur uner­wünsch­te Licht­fre­quen­zen unter­drü­cken und die erwünsch­ten erhal­ten blei­ben.

Die pho­to­ni­schen Kris­tall­wel­len­lei­ter sind nur weni­ge Mikro­me­ter klein. Sie umge­ben den Emit­ter und ver­hin­dern dadurch die Emis­si­on von Pho­to­nen mit uner­wünsch­ten Fre­quen­zen, sodass nur Pho­to­nen der benö­tig­ten Fre­quenz erzeugt wer­den.

Ers­te Ver­su­che bestä­ti­gen die Wirk­sam­keit der Tech­no­lo­gie: Durch die pho­to­ni­schen Kris­tall­wel­len­lei­ter konn­ten sie den Anteil an gewünsch­ten Pho­to­nen im emit­tier­ten Licht von etwa 23 % auf rund 72 % stei­gern. Damit erreicht die neue Metho­de Wer­te, die bis­her nur mit deut­lich auf­wen­di­ge­ren Reso­na­tor­an­sät­zen erzielt wur­den. Mit dem neu­en Ansatz erfolgt die Pho­to­nen­er­zeu­gung außer­dem etwas lang­sa­mer als bis­her. Auch das ist für die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on wich­tig: “Wenn Pho­to­nen zu schnell erzeugt wer­den, kön­nen wir ihre Eigen­schaf­ten schlecht kon­trol­lie­ren”, erklärt Andre­as Rei­se­rer, Pro­fes­sor für Quan­ten­netz­wer­ke an der TUM. “Unser Ansatz ist daher für vie­le Emit­ter deut­lich bes­ser geeig­net als die bis­her ver­wen­de­ten Reso­na­to­ren.”

Die ers­ten Expe­ri­men­te führ­ten die For­schen­den mit Erbi­um als Pho­to­nen­quel­le durch. Ein Ele­ment, das bereits heu­te in Glas­fa­ser­tech­no­lo­gien ver­wen­det wird. Weil die Kris­tall­wel­len­lei­ter grö­ßer und breit­ban­di­ger sind, erge­ben sich zwei zen­tra­le Vor­tei­le. Ers­tens kön­nen meh­re­re Pho­to­nen­quel­len – soge­nann­te Emit­ter – gleich­zei­tig in einem Bau­teil genutzt wer­den. Bei Reso­na­to­ren ist dies auf­grund ihrer sehr klei­nen Bau­form nur ein­ge­schränkt mög­lich. Zwei­tens lässt sich die gewünsch­te Fre­quenz fle­xi­bler aus­wäh­len, da die pho­to­ni­schen Kris­tall­wel­len­lei­ter nicht wie klas­si­sche Reso­na­to­ren prä­zi­se auf jeden Emit­ter ange­passt wer­den müs­sen.

Flo­ri­an Bur­ger, Dok­to­rand und Erst­au­tor der Publi­ka­ti­on, gibt einen Aus­blick:  “Quan­ten­netz­wer­ke sol­len eines Tages vie­le Quan­ten­sys­te­me mit­ein­an­der ver­bin­den. Dafür braucht es Schnitt­stel­len, die Infor­ma­tio­nen aus einem Quan­ten­sys­tem zuver­läs­sig auf ein­zel­ne Pho­to­nen über­tra­gen und die­se anschlie­ßend bei­spiels­wei­se über Glas­fa­sern ver­sen­den kön­nen. Unse­re Arbeit legt dafür die Grund­la­ge.”

Ein­zel­pho­to­nen­quel­len sind die Grund­la­ge für die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on. Ste­phan Rin­ner und Flo­ri­an Bur­ger ent­wi­ckeln dafür Nano­struk­tu­ren, die uner­wünsch­te Fre­quen­zen blo­ckie­ren und dadurch die Effi­zi­enz deut­lich ver­bes­sern. Im expe­ri­men­tel­len Auf­bau wird Laser­licht in Glas­fa­sern zu einem Mikro­skop gelei­tet, in dem die win­zi­gen Struk­tu­ren sicht­bar gemacht wer­den kön­nen.

Publi­ka­ti­on:
Flo­ri­an Bur­ger, Ste­phan Rin­ner, Andre­as Grit­sch, Kili­an Sand­hol­zer and Andre­as Rei­se­rer; Natu­re Com­mu­ni­ca­ti­ons (2026) https://doi.org/10.1038/s41467-026–75489‑5 

Wei­te­re Infor­ma­tio­nen:
- Geför­dert vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für For­schung, Tech­no­lo­gie und Raum­fahrt (BMFTR) und dem Frei­staat Bay­ern im Rah­men der
  Exzel­lenz­stra­te­gie von Bund und Län­dern. www.exzellenz.tum.de
- Die­ses Pro­jekt wur­de geför­dert durch die High­tech Agen­da Bay­ern (HTA).
- Die Pro­fes­sur für Quan­ten­netz­wer­ke ist Teil der TUM School of Natu­ral Sci­en­ces.

Wis­sen­schaft­li­cher Ansprech­part­ner:
Flo­ri­an Bur­ger
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Mün­chen
Pro­fes­sur für Quan­ten­netz­wer­ke
f.burger@tum.de 

Prof. Dr. Andre­as Rei­se­rer
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Mün­chen
Pro­fes­sur für Quan­ten­netz­wer­ke
Tel: 004989–28953650
andreas.reiserer@tum.de
https://www.ph.nat.tum.de/quantum-networks/homepage/

Kon­takt im TUM Cor­po­ra­te Com­mu­ni­ca­ti­ons Cen­ter:
Lin­da Schin­nen­burg
presse@tum.de