Forschung & Entwicklung

Neuartiger Schaltkreis für die Quantenphotonik

Erstmal ist es gelungen, Schlüsselbausteine der Quantenphotonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren und damit die Bündelung zweier einzelner Photonen – auch bekannt als Hong-Ou-Mandel-Experiment – zu demonstrieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger Quantentechnologien.

„In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard, um die benötigten hohen Datentransferraten zu erzielen“, erklärt Professorin Christine Silberhorn von der Universität Paderborn. Kurze Lichtpulse sind dabei die Informationsträger. Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den Quantencharakter der Photonen entstehen. Daraus ergeben sich perspektivisch neue Anwendungen, zum Beispiel für eine absolut abhörsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer.

„Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Richtung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, können sie sich entweder zusammenschließen, um dieselbe Richtung zu wählen, oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren“, erklärt Silberhorn. Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt wird.

Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien hat die Arbeitsgruppe von Silberhorn demonstriert, dass die Implementierung eines solchen quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip möglich ist. Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches Netzwerk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden, und programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten Strahlteiler. Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die es ermöglichen, eine Zeitverzögerung zwischen den Photonen einzustellen.

Die theoretische Simulation wurde von den Gruppen um Professorin Polina R. Sharapova und Professor Torsten Meier unterstützt. Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts „Monolithische Integration einer parametrischen Photonenpaar-Quelle und eines Zwei-Photonen-Interferometers" gefördert und sind als Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs TRR 142 entstanden.

von mn

Originalveröffentlichung:

[K.-H. Luo, S. Brauner, C. Eigner, P. R. Sharapova, R. Ricken, T. Meier, H. Herrmann, C. Silberhorn, Nonlinear integrated quantum electro-optic circuits, Sci. Adv. 5 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aat1451]

www.uni-paderborn.de

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