Forschung & Entwicklung

Drei Komponenten auf einem Chip

Komplett integrierte photonische Schaltkreise mit allen Hauptkomponenten auf einem einzigen Chip sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer.

Quantencomputer sollen bestimmte Rechenprobleme einmal sehr viel schneller lösen können als ein klassischer Computer. Einer der vielversprechendsten Ansätze basiert dabei auf der Verwendung einzelner Photonen zur Übertragung und Verarbeitung von Quanteninformation. Wissenschaftlern der Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es erstmals gelungen, drei notwendige Hauptkomponenten (Einzelphotonenquellen, Strahlteiler und Einzelphotonendetektoren) auf einem einzigen Chip zu integrieren und diesen auf dem Level einzelner Photonen zu betreiben. Dieses Experiment demonstriert die Funktionstüchtigkeit der grundlegenden Komponenten und legt den Grundstein für komplizierte Systeme.

Das Experiment wurde auf Galliumarsenid-Basis (GaAs) durchgeführt. Dies ermöglicht die direkte Einbindung von nanometergroßen Strukturen, sogenannten Quantenpunkten, welche als effiziente On-Demand-Quellen von Einzelphotonen dienen. Zusätzlich erlaubt die GaAs-Plattform, die Einzelphotonen zu optischen Logikschaltkreisen und speziellen Detektoren aus supraleitenden Nanodrähten zu leiten, welche auf demselben Chip platziert werden können. Im vorgestellten Experiment wurden von einem optisch gepumpten Quantenpunkt emittierte Einzelphotonen in einem photonischen Wellenleiter geführt und von einem Strahlteiler in zwei mit jeweils einem Detektor ausgerüstete Wellenleiterarme aufgeteilt.

„Eine der bisherigen Herausforderungen in einem solchen komplett auf einem Chip durchgeführten Experiment war die Nähe des Anregungslasers zu den Detektoren auf dem Chip“, erklärt Mario Schwartz. Der Doktorand am Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Universität Stuttgart hat über die letzten Jahre an einem Grundsatzexperiment gearbeitet, um zu zeigen, dass alle Hauptkomponenten auf einem einzigen photonischen Chip kombiniert werden können. Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Ekkehart Schmidt vom KIT durchgeführt, der ein Experte für das Design und die Implementierung der On-Chip Detektoren ist. „Die Detektoren können nicht unterscheiden, welche Photonen vom Laser und welche vom Quantenpunkt kommen, was zu unerwünschten Detektionen führt“, beschreibt Schmidt.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, den Einfluss der Laserphotonen deutlich zu verringern, indem sie reflektierende Metallschichten auf dem Chip platzierten. Dies ermöglichte, die quantenmechanische Natur der Quantenpunktemission zu zeigen, wobei nur die On-Chip Komponenten verwendet wurden. Das Experiment ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung und zeigt das Potenzial von komplett integrierten photonischen Schaltkreisen mit allen Hauptkomponenten auf einem einzigen Chip. Die Forscher sehen klare Möglichkeiten, die Komplexität des Chips in naher Zukunft zu erhöhen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Schwartz, E. Schmidt, U. Rengstl, F. Hornung, S. Hepp, S. L. Portalupi, K. llin, M. Jetter, M. Siegel, P. Michler, Fully On-Chip Single-Photon Hanbury-Brown and Twiss Experiment on a Monolithic Semiconductor–Superconductor Platform, Nano Lett. 18 (2018), DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02794]

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