Präzise Mischung von Licht und Schall

Einem Forscherteam aus Deutschland und Polen ist es gelungen, gezielt Nano­schall­wellen auf einzelne Licht­quanten zu über­tragen. In ihrer Studie verwenden die Wissen­schaftler einen Quanten­punkt, der die Vibrationen der Schallwelle mit zuvor unerreichter Präzision in einzelne Photonen umwandelt. Das erstmals nach­ge­wiesene Prinzip bildet einen wichtigen Baustein für die Entwicklung hybrider Quanten­techno­logien.

Licht- und Schallwellen bilden das Rückgrat der modernen Kommuni­ka­tions­techno­logie. Während Licht Daten über Glasfasern über lange Strecken überträgt, finden Schall­wellen-Chips bei der draht­losen Kommuni­ka­tion zwischen Routern, Tablets oder Smart­phones Verwendung. Diese beiden Schlüssel­techno­logien gilt es für die jetzt angebrochene Ära der Quanten­kommuni­ka­tion mit Licht­quanten fit zu machen. Hier spielen hybride Quanten­techno­logien eine zentrale Rolle.

Diese verbinden verschieden­artige Quanten­systeme mit­ein­ander, um die unter­schied­lichen Stärken gezielt zu nutzen und gleich­zeitig die einzelnen Schwächen zu umgehen. „Auf diesem Feld sind Schwingungen des Kristall­gitters besonders viel­ver­sprechend,“ erläutert Hubert Krenner, der die Studie an der Universität Augsburg leitet. „Phononen verzerren jedes im Kristall einge­bettete Objekt und verändern so seine physika­lischen Eigen­schaften.“

Die Forscher verwenden akustische Ober­flächen­wellen, um einen Quanten­punkt in Schwingung zu versetzen und so die Farbe des Lichts, das dieser abstrahlt, zu ändern. Daniel Wigger, der an der Universität Münster und der TU Breslau die Kopplung von Quanten­punkten und Phononen erforscht, ist begeistert: „In unseren Simulationen konnten wir die in Augsburg gemessenen Spektren nahezu perfekt nachbilden, indem wir die Nano­schall­welle wie einen Phononen-Laser in unser Modell eingebaut haben.“

Die Ergebnisse des Teams sind ein Meilen­stein für die Entwicklung hybrider Quanten­techno­logien, weil der Quanten­punkt einzelne Photonen abstrahlt, die durch die Schallwelle exakt getaktet sind. Matthias Weiß von der Uni Augsburg fügt hinzu: „Besonders spannend ist, dass die Spektral­linien der an der TU München herge­stellten Quanten­punkte so extrem scharf sind. Dadurch konnte ich beobachten, wie sich diese um die Winzigkeit der Energie eines einzelnen Phonons verschiebt.“

Das Forscherteam konnte aber noch einen entschei­denden Schritt weiter­gehen. Die Wissen­schaftler verwendeten eine zweite Schall­welle mit einer anderen Frequenz. Im Spektrum des Quanten­punkts zeigten sich nun neue Spektral­linien, die der Summe oder Differenz der Frequenzen der beiden Schall­wellen entsprachen. „Dieses Wellen­mischen kennt man in der Optik seit Jahr­zehnten und es wird zum Beispiel in Laser­pointern verwendet, um grünes Licht zu erzeugen“, so Krenner, „unsere Laser sind Nano­schall­wellen, die wir mit Licht­quanten mischen.“

Die Präzision dieses Phänomens ist atem­beraubend. „Als ich die Frequenz einer der beiden Schall­wellen um die Winzigkeit von weniger als einem billionstel Teil veränderte, beobachtete ich, wie das Spektrum über die Dauer eines Tages exakt wie vorher­gesagt schwingt,“ berichtet Weiß. Der Quanten­punkt selbst stellt ein Qubit dar, die Grund­einheit bei der Quanten­infor­ma­tions­verarbeitung. Wigger fügt hinzu: „Es war voll­kommen aus­reichend, den Quanten­punkt als Qubit in unser Modell einzubauen, das von der Schall­welle in Schwingung versetzt wird. Sonst mussten wir keine Annahmen machen.“ Die hervor­ragende Über­ein­stimmung zwischen den Berechnungen und den experi­men­tellen Resultaten zeigt nach Ansicht der Forscher, dass ihr Modell bereits alle wesentlichen Eigen­schaften richtig beschreibt. Somit sollte es auch direkt auf andere Qubits anwendbar sein.

U. Augsburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Weiß et al.: Optomechanical wave mixing by a single quantum dot, Optica 8, 291 (2021); DOI: 10.1364/OPTICA.412201
• Semiconductor Nanostructures and Nanophotonics (H. J. Krenner), Lehrstuhl für Experimentalphysik 1, Institut für Physik, Universität Augsburg
• Institut für Festkörpertheorie, Westfälische Wilhelms-Universität Münster