Gebündelte Photonen
Schlüsselbausteine der Quantenphotonik auf einem einzelnen Chip integriert.
Forschern der Uni Paderborn um Christine Silberhorn ist es erstmals gelungen, Schlüsselbausteine der Quantenphotonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren und damit die Bündelung zweier einzelner Photonen zu demonstrieren. Dieses Hong-Ou-Mandel-Experiment ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger Quantentechnologien, die beispielsweise zur Synchronisation in der Quantenkommunikation, zum Aufbau von Quantensimulatoren oder für quantenbasierte Hochpräzisionsmessungen benötigt werden. Einsatz finden die Technologien etwa in der abhörsicheren Kommunikation. Die theoretische Simulation wurde von den Gruppen um Polina Sharapova und Torsten Meier unterstützt.
„In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard, um die benötigten hohen Datentransferraten zu erzielen“, erklärt Silberhorn. Kurze Lichtpulse sind dabei die Informationsträger. Solch ein Lichtpuls besteht aus einer großen Anzahl von Photonen. „Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den Quantencharakter der Photonen entstehen“, so die Wissenschaftlerin weiter. Daraus ergeben sich perspektivisch neue Anwendungen etwa für die absolut abhörsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer.
„Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Richtung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, können sie sich entweder zusammenschließen, um dieselbe Richtung zu wählen, oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren“, erklärt Silberhorn. „Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt wird“.
Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien hat die Arbeitsgruppe von Silberhorn demonstriert, dass die Implementierung eines solchen quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip möglich ist. Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches Netzwerk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden, und programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten Strahlteiler. Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die es ermöglichen, eine Zeitverzögerung zwischen den Photonen einzustellen. Zu den Auswirkungen der Arbeit sagt Silberhorn: „Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in einen einzigen Chip ist ein großer Schritt zur Miniaturisierung. Er ebnet den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien".
U. Paderborn / RK
