- Forschungsteam erzeugt erfolgreich Photonenpaare mit 90 % Ähnlichkeit, entscheidend für Quantenkommunikation.
- Einsatz von Halbleiter-Quantenpunkten und optischen Resonatoren zur Erzeugung kaum unterscheidbarer Photonen.
- Biexciton-Zerfall beschleunigt Lichtemission und ermöglicht kontrollierte Erzeugung.
- Höhere Photonen-Ununterscheidbarkeit reduziert Fehler bei der Datenverarbeitung.
Forschende der Universitäten Basel, Ruhr und Paderborn haben gemeinsam einen bedeutenden Durchbruch in der Quantenkommunikation erzielt und Photonenpaare mit 90 % Identität erzeugt. Diese kaum unterscheidbaren Teilchen lassen sich für Quantenverschränkung oder Interferenz nutzen – Phänomene, die für die Quantenkommunikation entscheidend sind. Das Verständnis der Quantenphysik eröffnet neue Bereiche für Computing und Sensorik. Wissenschaftler nutzen unterschiedliche Materialien, um Information auf Quantenebene zu speichern und zu verarbeiten, und wenden verschiedene Methoden an, darunter gefangene Ionen, neutrale Atome, supraleitende Schaltkreise und Photonen als Quantenbits oder Qubits. Photonen gehören zu den am einfachsten zu manipulierenden Informations-Trägern.
Um sie jedoch in der Quantenkommunikation einsetzen zu können, müssen sie vollständig identische Eigenschaften aufweisen oder miteinander „ununterscheidbar“ sein. Bisherige Versuche, solche Photonen zu erzeugen, hatten nur begrenzten Erfolg, da die Photonen entweder schlecht fokussiert waren oder lediglich vorübergehend korreliert waren.
Durchbruch bei der Photonen-Erzeugungstechnik
Die gemeinsamen Anstrengungen der Forschenden aus Basel, Ruhr und Paderborn lösten dieses Hindernis durch Halbleiter-Quantenpunkte. Die Forschenden nutzten Halbleiter-Quantenpunkte mit optischen Resonatoren und verwendeten einen als „Biexciton-Zerfall“ bezeichneten Prozess, um kaum unterscheidbare Photonen zu erzeugen. Dabei zerfällt ein aus zwei gebundenen Exzitonen bestehendes Molekül und setzt ein Exziton und ein Photon frei. „Quantenpunkte werden üblicherweise als künstliche Atome in Halbleitern beschrieben, die einzelne Photonen erzeugen können“, erklärt Stefan Schumacher, Professor für Funktionale Photonische Strukturen an der Universität Paderborn. „Durch ihre Integration in spezielle optische Kavitäten – ähnlich wie in Lasern – hat diese Arbeit die Lichtemission besonders beschleunigt und kontrolliert.“
Ein Exziton besteht aus einem Elektron und einem Elektronenloch; in diesem Prozess wird der Quantenpunkt doppelt angeregt, woraufhin die Anregung zerfällt. Dadurch erzeugt der Biexciton-Kaskadenprozess zwei Photonen nacheinander. Noch wichtiger: Photonenpaare lassen sich per Knopfdruck erzeugen, was für den Einsatz neuer Technologien sehr nützlich ist.
Methoden zur Optimierung der Photonenreinheit
Das Forschungsteam untersuchte weiter die Wechselwirkung zwischen Quantenpunkten und optischen Kavitäten, eine Arbeit, die von Richard Warburton, Professor für Experimentelle Festkörperphysik an der Universität Basel, geleitet wurde. Obwohl diese Arbeit in verschiedenen Bereichen zu Durchbrüchen verhalf, nutzte das gemeinsame Forschungsteam die Wissenschaft des Biexciton-Zerfalls, um diesen kontrolliert ablaufen zu lassen. Dies ermöglichte den Forschenden eine Ununterscheidbarkeit von 90 % – eine Steigerung gegenüber den zuvor erreichten 60 %. Höhere Photonen-Ununterscheidbarkeit bedeutet weniger Fehler bei der Datenverarbeitung. „Die hervorragende Übereinstimmung der Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen weist den Weg zur Erzeugung von Photonen mit noch höherer Ununterscheidbarkeit“, fügte Warburton in einer Pressemitteilung hinzu.
„Sie haben bewiesen, dass der Biexciton-Zerfall sehr hochwertige Photonen erzeugen kann – vorausgesetzt, das System wird unter Verwendung von Kavitäten ordnungsgemäß kontrolliert.“
Klaus Jöns, Leiter der Hybriden Quantenphotonischen Bauelemente an der Universität Paderborn, erklärt: „Wir haben entdeckt, dass die Reinheit der erzeugten Photonen ebenfalls durch den Resonator optimiert werden kann, lediglich begrenzt durch Schwingungen im Halbleitergitter (Phononen). Dieses Phänomen, bekannt als ‚Kavitäts-Feeding‘, muss in zukünftigen Designs berücksichtigt werden und kann systematisch weiter minimiert werden.“ Die Forschungsergebnisse wurden im Journal „Physical Review Applied“ veröffentlicht.
Wie die neue Technologie die Quantenkommunikation vorantreibt
Diese Forschung zeigt das Potenzial von Halbleiter-Quantenpunkten in der Quantenkommunikation, insbesondere durch den Biexciton-Zerfall zur Erzeugung hochwertiger Photonen. Mit zunehmender Photonen-Ununterscheidbarkeit wird dies die Zuverlässigkeit der Quantenkommunikation verbessern und Fehler bei der Datenverarbeitung reduzieren. Die Ergebnisse des Forschungsteams treiben nicht nur die Quantenkommunikationstechnologie voran, sondern könnten auch zukünftige Quantencomputing- und Sensortechnologien beeinflussen, da diese Bereiche alle auf effizienten Qubit-Operationen basieren.