Forschung & Entwicklung

Hellste Quelle verschränkter Photonen

Eine optische Breitbandantenne zur effizienten Aussendung verschränkter Photonen weist eine Ausbeute von 37 % pro Puls auf.

Verschränkte Photonen haben ein großes Anwendungspotenzial für die zukünftige Quantenkommunikation, insbesondere für die Entwicklung abhörsicherer Kommunikationssysteme. Wichtige Voraussetzungen für die Umsetzung einer solchen Technologie sind, dass verschränkte Photonen in definierter Qualität und in ausreichender Menge erzeugt werden können und dass sie über weite Entfernungen übermittelt werden können. Letzteres ist mit großen Verlusten verbunden, sodass in Glasfaserleitungen bisher nur 100 Kilometer realisiert werden konnten. Je heller, das heißt lichtstärker, die verschränken Photonenquellen sind, desto robuster wird das System gegenüber Verlusten bei großen Distanzen. Die Entwicklung besonders heller verschränkter Photonenquellen ist deshalb ein wichtiger Ansatz, die Quantenkommunikation über lange Reichweiten zu realisieren.

Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) hat in Zusammenarbeit mit der Leibniz Universität Hannover (LUH) eine Quelle verschränkter Photonen mit einer bisher unerreichten Helligkeit entwickelt. Die Photonenquelle besteht aus einer optischen Breitbandantenne, die verschränkte Photonenpaare effizient aus sogenannten Halbleiter-Quantenpunkten auskoppelt. Die Antenne arbeitet in einem breiten Wellenlängenbereich und ist in der Lage, energetisch verschiedene Photonen gleichgut zu entsenden. Auch in Bezug auf andere Parameter erreicht die neue Photonenquelle Spitzenwerte: Die Reinheit des Signals beträgt 99,8 % und der Verschränkungsgrad 90 %.

Die Optimierung einer derartigen Photonenquelle hinsichtlich einer Vielzahl ihrer Eigenschaften stelle eine besondere Herausforderung der Arbeit dar, sagt Robert Keil vom IFW, und behandelt damit ein ganz zentrales Problem in den Quantentechnologien. „Unsere verschränkten Photonen werden darüber hinaus von dem in der Optoelektronik häufig eingesetzten Halbleitermaterial Galliumarsenid erzeugt“, ergänzt Professor Fei Ding. Das ermöglicht die Herstellung von Bauelementen, die auf etablierten Halbleitertechnologien basieren und somit für eine zukünftige industrielle Fertigung in Frage kommen.  

Die Arbeit stellt einen wichtigen Schritt zur Auslotung des Anwendungspotenzials von optischen Quantentechnologien dar. Die Forschungsarbeiten des IFW und der LUH werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Verbundprojekts Q.Link.X gefördert. Q.Link.X hat sich zum Ziel gesetzt, innerhalb von drei Jahren die Kernkomponente der langreichweitigen Quantenkommunikation, einen sogenannten Quantenrepeater, zu realisieren. Ein Quantenrepeater stellt das quantenmechanische Gegenstück zum klassischen Signalverstärker dar und könnte die optische Kommunikation, wie wir sie kennen, revolutionieren.

Originalveröffentlichung:

[Y. Chen, M. Zopf, R. Keil, F. Ding, O. G. Schmidt, Highly-efficient extraction of entangled photons from quantum dots using a broadband optical antenna, Nat. Commun. 9 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-05456-2]

von mn

www.ifw-dresden.de

www.uni-hannover.de

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