Überblick

Ideale Photonen auf Bestellung

Halbleiterbasierte Quellen für einzelne Photonen oder für verschränkte Photonen haben ein großes Potenzial für die photonischen Quantentechnologien.

  • Peter Michler
  • 06 / 2013 Seite: 35

Quantennetzwerke, in denen Lichtteilchen Informationen transportieren, oder optische Quantencomputer benötigen ganz spezielle Photonen: Diese sollten in sämtlichen ihrer physikalischen Eigenschaften identisch sein und sich einzeln oder als verschränktes Paar auf Bestellung erzeugen lassen. Besonders vielversprechende nichtklassische Lichtquellen sind hierbei optisch-resonant oder elektrisch gepumpte Halbleiter-Quantenpunkte. Eingebettet in Mikro- und Nanoresonatoren bzw. in integrierte photonische Schaltkreise könnten sie in Zukunft neuartige Quanteninformationstechnologien ermöglichen.

In den letzten Jahren gab es immense Fortschritte auf dem Weg zu Technologien, die wesentlich auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen und insbesondere die Verschränkung ausnutzen. Zur Entwicklung dieser Technologien gibt es unterschiedlichste Ansätze, wobei solche aus der Photonik eine besondere Rolle spielen. Dazu zählen das optische Quantencomputing und die Quanteninformationsverarbeitung. Diese benötigen Lichtquellen, die deterministisch einzelne Photonen und/oder verschränkte Photonenpaare erzeugen. Idealerweise sollte eine solche Quelle eine sehr hohe Reinheit und Effizienz besitzen, d. h. sie sollte für jeden Anregungszyklus genau ein Photon bzw. ein Photonenpaar emittieren, das die Quelle auch verlassen muss. Die grundlegende Idee besteht darin, einen einzelnen Quantenemitter mit einem kurzen optischen oder elektrischen Puls anzuregen und das anschließend emittierte Photon für die gewünschte Anwendung zu nutzen. Als Emitter eignet sich beispielsweise ein Atom, ein Molekül, ein Halbleiter-Quantenpunkt (Quantum Dot, QD), eine Störstelle in einem Halbleiter oder ein Fehlstellenzentrum in Diamant.

Moderne Epitaxieverfahren ermöglichen es, Halbleiter-Quantenpunkte selbstorganisiert herzustellen. Hierzu wird ein Halbleiter mit kleinerer Bandlücke (InAs) in einen anderen mit größerer Bandlücke (GaAs) eingebettet. Dadurch entsteht ein effektives Potential, das einzelne Ladungsträger wie Elektronen oder Löcher einschließen kann. Die Ausdehnung des Quantenpunkts liegt typisch bei einigen zehn Nanometern und damit unterhalb der De-Broglie-Wellenlänge, sodass sich diskrete Energiezustände ausbilden.

Quantenpunkte zeichnen sich gegenüber anderen Emittern durch eine Reihe von Vorteilen aus: So lässt sich durch die Wahl der Halbleitermaterialien und deren genauer Zusammensetzung (z. B. für den ternären Halbleiter InxGa1–xAs, mit x zwischen 0 und 1) die Emissionswellenlänge nahezu beliebig im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich einstellen. Zudem erlaubt es die ausgereifte Halbleitertechnologie, die QDs in photonische Kristalle, komplexe Mikro-und Nanoresonatoren oder in dotierte pin-Strukturen1) für die elektrische Anregung einzubetten. Der Einbau in Resonatorstrukturen mit hoher Güte und kleinem Modenvolumen führt dazu, dass sich die Rate für spontane Emission des Emitters erhöht und die Photonen vorzugsweise in die Resonatormode ausgesendet werden. Das ermöglicht letztlich eine hohe Sammeleffizienz. Ferner lassen sich in einem QD über ein einzelnes Elektron-Loch-Paar (Exziton X) hinaus auf einfache Weise auch zwei Elektron-Loch-Paare gleichzeitig (ein Biexziton XX) anregen. Über eine Emissionskaskade können dann polarisationsverschränkte Photonenpaare entstehen. („Elektron-Loch-Paar“ und „Exziton“ verwenden wir hier ­synonym, da in einem Quantenpunkt Elektronen und Löcher aufgrund des Einschlusspotentials so nah beieinander sind, dass zwischen beiden immer die Coulomb-Wechselwirkung wirksam ist.) ...

Share |
thumbnail image: Ideale Photonen auf Bestellung

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
10 / 2017

thumbnail image: PJ 10 2017

Anomalien von Wasser

Ursprung des Lebens

Fraunhofer-Linien

Phänomenta

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2017 deutsch / eng­lisch
2018 deutsch / englisch

Webinar

Warum reale akustische Systeme nur multiphysikalisch simuliert werden können

  • 02. November 2017

In diesem Webi­nar wird ge­zeigt, warum man bei­spiels­weise schon bei der Simu­la­tion eines „ein­fachen“ Laut­spre­chers auf multi­phy­si­ka­li­sche Kopp­lung an­ge­wie­sen sein kann, wenn man ex­pe­ri­men­tel­le Er­geb­nis­se kor­rekt re­pro­du­zie­ren will.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer