Lichtquelle erzeugt auf Abruf Photonen im Telekom-C-Band mit Rekordqualität –
In den Quantentechnologien ist hochwertige Interferenz zwischen Photonen unerlässlich. Diese können nur dann perfekt miteinander interferieren, wenn all ihre Eigenschaften übereinstimmen, sie also praktisch identisch sind. Gleichzeitig müssen sich solche Photonen in die bestehende Glasfaserinfrastruktur integrieren lassen. Dafür sollten Photonenquellen auf Basis von Quantenpunkten im Telekommunikations-C-Band bei einer Wellenlänge von rund 1550 nm arbeiten, da hier die optischen Verluste in Glasfasern am geringsten sind. Diese Kombination stellte lange Zeit eine große Herausforderung dar: Zwar erreichen Einzelphotonenquellen bei kürzeren Wellenlängen zwischen 780 und 960 nm nahezu ideale Eigenschaften, doch die Übertragung dieser Qualität auf das Telekom-C-Band galt über viele Jahre als schwierig. Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelten Forschende aus dem QR.N‑Verbund an den Standorten Stuttgart und Würzburg eine neuartige Lichtquelle, die einzelne Photonen im Telekom-C-Band auf Abruf und mit Rekordqualität erzeugt. Die Ergebnisse wurden nun in einem Paper veröffentlicht.
Die entwickelte Quelle ist eine deterministische Photonenquelle: Im Gegensatz zu probabilistischen Ansätzen, bei denen nicht vorhersehbar ist, wann ein Einzelphoton tatsächlich zur Verfügung steht, erzeugt sie bei jeder gezielten Anregung zuverlässig genau ein Photon. Diese Eigenschaft ist entscheidend für viele Anwendungen in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing. Technisch basiert die Quelle auf Indiumarsenid-Quantenpunkten, die in eine Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid-Struktur eingebettet und in einen zirkulären Bragg-Gitter-Resonator integriert sind, der die Emission der Photonen gezielt verstärkt. Zwar existieren bereits Quantenpunkt-Bauelemente für das Telekom-C-Band, bislang erreichten diese jedoch bestenfalls Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeiten von rund 72 % – ein Maß für die Ununterscheidbarkeit der Photonen –, was für anspruchsvolle Quantenanwendungen nicht ausreicht. Die neuartige Photonenquelle überwindet diese Grenze nun, indem sie gezielt optimierte Anregungsverfahren nutzt. Dazu verglichen die Forschenden systematisch verschiedene Anregungsschemata und stellten fest, dass die Nutzung von Anregungen, die durch elementare Schwingungen im Kristallgitter vermittelt werden,die besten Ergebnisse liefert. Auf diese Weise erreichten die Forschenden eine Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeit von nahezu 92 % – den bislang höchsten Wert für eine deterministische Einzelphotonenquelle im Telekom-C-Band.
Dass sich nun Photonen mit der Qualität probabilistischer Quellen erzeugen lassen und zugleich auf Abruf verfügbar sind, markiert einen wichtigen Schritt hin zu skalierbarer Quantenkommunikation und photonischem Quantencomputing. Perspektivisch ermöglichen solche Quellen Anwendungen, die große Mengen synchronisierter Photonen erfordern, sowie die Vernetzung mehrerer photonischer Prozessoren für verteiltes Quantenrechnen, an der im QR.N‑Verbund gearbeitet wird.
Quellennachweis: https://www.uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/meldungen/Photonen-mit-Rekordqualitaet-bei-Telekommunikationswellenlaengen–auf-Abruf/