Forschung

Neue Quelle für einzelne Photonen

01.02.2021 - Quantenpunkt erzeugt Milliarden ausgerichtete Photonen pro Sekunde.

Quanten­kryptografie verspricht absolut abhör­sichere Kommuni­kation. Eine Schlüsselkomponente sind dabei einzelne, aneinander gereihte Photonen. In den Quanten­zuständen der Lichtteilchen lassen sich Informationen speichern und über große Distanzen übertragen. Künftig könnten entfernte Quanten­prozessoren über einzelne Photonen miteinander kommunizieren. Und vielleicht wird der Prozessor selbst Photonen als Quantenbits zum Rechnen verwenden. Eine Grund­voraussetzung für derlei Anwendungen sind jedoch effiziente Einzelphotonen­quellen. Ein Forschungsteam um Richard Warburton, Natasha Tomm und Alisa Javadi von der Universität Basel berichtet nun gemeinsam mit Kollegen aus Bochum von der Entwicklung einer Einzel­photonenquelle, welche bisher bekannte Systeme an Effizienz deutlich übertrifft.

Jedes Photon wird dabei durch die Anregung eines einzelnen Quantenpunkts innerhalb eines Halbleiters erzeugt. Normaler­weise verlassen diese Photonen den Quantenpunkt in alle möglichen Richtungen und so geht ein Großteil verloren. Bei der nun vorge­stellten Photonen­quelle haben die Forscher dieses Problem gelöst, indem sie den Quantenpunkt in einer Art Trichter posi­tioniert haben, um alle Photonen in eine bestimmte Richtung zu schicken.

Bei dem Trichter handelt es sich um einen neuartigen Mikro-Hohlraum: Der Mikro-Hohlraum fängt fast alle Photonen ein und leitet sie dann in eine optische Faser. Die jeweils etwa zwei Zentimeter langen Photonen treten am Ende der optischen Faser aus. Der Wirkungs­grad des gesamten Systems – also die Wahrschein­lichkeit, dass die Anregung des Quantenpunkts tatsächlich zu einem verwendbaren Photon führt – ist mit 57 Prozent mehr als doppelt so hoch wie bei bisherigen Einzel­photonenquellen. „Das ist ein besonderer Moment für uns“, sagt Studien­leiter Warburton. „Wir wissen schon seit ein oder zwei Jahren, was im Prinzip möglich ist. Jetzt haben wir es geschafft, unsere Ideen in die Praxis umzusetzen.“

Die Effizienz­steigerung habe bedeutende Konse­quenzen, so Warburton weiter: „verdoppelt man die Effizienz für die Generation eines einzelnen Photons, summiert sich diese Verbesserung bei einem String aus beispielsweise zwanzig Photonen auf den Faktor eine Million. In Zukunft möchten wir unsere Einzelphotonen­quelle noch besser machen: Wir möchten sie verein­fachen und einige ihrer unzähligen Anwendungen in Quanten­kryptografie, Quanten­rechnern und anderen Techno­logien verfolgen.“

U. Basel / JOL

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