Forschende der Universität Basel und der RUB berichten über eine neue Einzelphotonenquelle mit Rekord-Effizienz. Pro Sekunde können Milliarden von Einzelphotonen erzeugt und am Ausgang einer Standard-Glasfaserleitung gemessen werden. Die Quelle stellt einen neuen und leistungsfähigen Baustein im aufkeimenden Feld der Quantentechnologie dar. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit von Physikerinnen und Physikern der Universität Basel, Schweiz, und der RUB durchgeführt. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Zeitschrift Nature Nanotechnology, online veröffentlicht am 28. Januar 2021.

Licht ist nicht nur Welle, sondern auch Teilchen: unteilbare Lichtpakete, die auch Quanten oder Photonen genannt werden. Diese seit über 100 Jahren bewiesene Dualität zwischen Welle und Teilchen wird in der Quantenmechanik beschrieben. Forscherinnen und Forscher auf der ganzen Welt versuchen Informationen in verschiedenste Quanten einzuschreiben, um dann damit Quanteninformationsverarbeitung durchzuführen. Dies kann in Zukunft abhörsichere Kommunikation oder auch Quantenberechnungen ermöglichen.

Kommunikation über Photonen
Eine denkbare Realisierung solcher Quantenschalteinheiten sind einzelne Photonen. Ein einzelnes Photon kann die in seinem Quantenzustand kodierte Information über große Entfernungen transportieren. Diese Eigenschaft macht einzelne Photonen unentbehrlich in der Quantenkryptografie, bei der eine Nachricht in einer Kette von einzelnen Photonen verschlüsselt wird. Das „no cloning“-Theorem der Quantenphysik verbietet die Erstellung einer exakten Kopie der Photonenkette, sodass eine sichere Kommunikation garantiert werden kann.

In Zukunft werden entfernte Quantenprozessoren über einzelne Photonen miteinander kommunizieren. Und vielleicht wird der Prozessor selbst Photonen als Quantenbits verwenden. Voraussetzung für die Umsetzung dieser Konzepte ist eine Einzelphotonenquelle, eine neuartige Lichtquelle, die bei jeder Anregung ein und nur ein Photon erzeugt.

Quantenpunkte aus Bochum
Natasha Tomm und Alisa Javadi von der Universität Basel beschreiben in Nature Nanotechnology eine solche Einzelphotonenquelle mit einer bis dahin nie erreichten Effizienz. Jedes Photon wird durch die Anregung eines einzelnen in Bochum hergestellten künstlichen Atoms, eines sogenannten Quantenpunkts, innerhalb eines von Dr. Arne Ludwig designten und von seinem Team an der RUB hergestellten Halbleiters erzeugt.

Der für Menschen sichtbare Anteil des Lichts erstreckt sich über einen Wellenlängenbereich von etwa 380 Nanometer (violett) bis 800 Nanometer (rot). Für die lichtbasierte Kommunikation über weite Strecken sind Photonen mit längeren Wellenlängen im infraroten Spektralbereich interessant. Glasfaserleitungen haben in dem Bereich eine sehr geringe Absorption und Signale müssen weniger oft verstärkt werden. Jedes einzelne Photon aus den Halbleiterquantenpunkten besteht aus einem Wellenzug mit einer Wellenlänge von etwa einem Mikrometer, also im für das menschliche Auge gerade nicht mehr sichtbaren infraroten Spektralbereich. Die Wellenzüge selbst (also die Photonen) haben dabei jeweils eine Länge von etwa zwei Zentimetern.

Trichter fängt Photonen ein
Normalerweise gehen diese Photonen in alle möglichen Richtungen und nur ein kleiner Teil wird jemals detektiert. Hier jedoch wird der Quantenpunkt in einem Trichter positioniert, um alle Photonen in eine bestimmte Richtung zu schicken. Der Trichter, ein neuartiger Mikro-Hohlraumresonator, ist das Herzstück dieses Erfolgs: Er fängt fast alle Photonen ein und leitet sie dann in eine optische Glasfaser. Der Wirkungsgrad des gesamten Systems ist mit 57 Prozent mehr als doppelt so hoch wie bei bisherigen Einzelphotonenquellen.

„Das ist ein wirklich besonderer Moment“, erklärt Richard Warburton, Gruppenleiter des Basler Teams. „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 hat massive Konsequenzen: So ergibt sich zum Beispiel ein Rechenvorteil von etwa einer Million, wenn man mit einer Kette aus 20 Photonen arbeitet. In Zukunft möchten wir unsere Einzelphotonenquelle noch besser machen, wir möchten sie vereinfachen und einige ihrer unzähligen Anwendungen verfolgen.“

Förderung
Das Projekt wurde gefördert vom Schweizerischen Nationalfonds, dem Nationalen Forschungsschwerpunkt „Quantum Science and Technology“ (NCCR QSIT), der Europäischen Union im Rahmen des Programms Horizon2020, DFH/UFA CDFA05-06, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (TRR160, 383065199) sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt Q.Link.X).

Originalveröffentlichung
Natasha Tomm, Alisa Javadi, Nadia O. Antoniadis, Daniel Najer, Matthias C. Löbl, Alexander R. Korsch, Rüdiger Schott, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Arne Ludwig, Richard J. Warburton: A bright and fast source of coherent single photons, in: Nature Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-020-00831-x