Nachrichten

Forschung & Entwicklung Praktikable Photonenquelle für die Quantenkommunikation

Erstmalig ist es gelungen, eine praktikable und anwendungsnahe Quelle einzelner Lichtquanten zu bauen.

Die Nutzung von einzelnen Lichtquanten als Informationsträger in der Quantenkommunikation und Quantencomputertechnologie wird weltweit erforscht. Dabei soll ein einzelnes Photon als Informationsträger dienen. Eines der bisherigen Probleme: Die Technologie ist sensibel, da sie in der Regel fast ausschließlich im Vakuum und bei sehr niedrigen Temperaturen funktioniert, was bisher aufwändige Laborapparaturen voraussetzte und damit die Nutzung dieser Technologie stark einschränkte.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Stephan Reitzenstein am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin wurde eine Plug & Play-Quelle von Lichtquanten erfolgreich gebaut. Das System beruht auf einem sogenannten künstlichen Atom, also einem Quantenpunkt, auf einem Halbleiterchip. Genau über diesem Quantenpunkt kann eine Mikrolinse platziert werden. Diese Linse sammelt die von dem Quantenpunkt ausgesandten Photonen effizient ein, sodass später eine hohe Datenübertragungsrate in der Quantenkommunikation realisiert werden kann.

Um eine Quanten- oder Photonenquelle jedoch auch in der Quantenkommunikation außerhalb der Labors in der Praxis nutzen zu können, müssen die Photonen zusätzlich effizient in ein optisches Glasfaserkabel übertragen werden. Nun ist es gelungen, eine optische Glasfaser exakt über dem Quantenpunkt zu positionieren und zu fixieren, wodurch die abgestrahlten Photonen direkt aufgefangen und über große Distanzen weitergeleitet werden können. „Entscheidend dabei ist, dass wir die Oberfläche des Halbleiters, auf der unserer Quantenpunkt sitzt, optisch ‚scannen’ und das Glasfaserkabel dann in einem relativ robusten Prozess bei Raumtemperatur exakt über der Mikrolinse mit Epoxidharz fixieren“, erklärt Dr. Tobias Heindel.

Das ganze System aus Halbleiterchip mit Quantenpunkt, Mikrolinse und exakt ausgerichteter und fixierter Glasfaser wird dann in einen sogenannten Stirling-Kühler eingebaut. Bei dem Stirling-Kühler handelt es sich um eine kommerziell verfügbare Apparatur, die dazu dient, den Halbleiterchip auf die benötigten tiefen Temperaturen, nur wenige zehn Kelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts, herunterzukühlen. Der große Vorteil dieser Anordnung: Die gesamte sogenannte Q-Source (Quanten-Quelle) inklusive Stirling-Kühler findet in einer durchschnittlichen Schreibtischschublade Platz und benötigt lediglich einen 220V-Netzanschluss.

Die Arbeiten zu dieser benutzerfreundlichen Quantenlichtquelle entstanden im Rahmen des BMBF VIP-Projektes „QSOURCE“.

Originalveröffentlichung:

[A. Schlehahn, S. Fischbach, R. Schmidt, A. Kaganskiy, A. Strittmatter, S. Rodt, T. Heindel, S. Reitzenstein, A stand-alone fiber-coupled single-photon source, Sci. Rep. 8, 1340 (2018), DOI:10.1038/s41598-017-19049-4]

von mn

www.tu-berlin.de

© photonik.de 2018 - Alle Rechte vorbehalten