Hellste Quelle verschränkter Photonen

Nach den Gesetzen der Quantenphysik können zwei Photonen einen gemeinsamen Zustand annehmen, der auch dann erhalten bleibt, wenn die beiden Teilchen räumlich sehr weit getrennt werden. Man spricht dann von verschränkten Photonen. Jede Änderung des Quantenzustands des einen Photons führt zu einer entsprechenden Änderung des entfernten Partners.

Hierin liegt ein großes Anwendungspotential für die zukünftige Quantenkommunikation, insbesondere für die Entwicklung abhörsicherer Kommunikationssysteme. Wichtige Voraus-setzungen für die Umsetzung einer solchen Technologie sind, dass – erstens – verschränkte Photonen in definierter Qualität und – zweitens – in ausreichender Menge erzeugt werden können und dass sie – drittens – über weite Entfernungen übermittelt werden können.

Letzteres ist mit großen Verlusten verbunden, so dass in Glasfaserleitungen bisher nur 100 Kilometer realisiert werden konnten. Vor einem Jahr haben chinesische Wissenschaftler im freien Raum mittels Satellit eine Entfernung von 7600 Kilometern überwinden können.

Je heller, d.h. 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.

Das IFW hat hier in Zusammenarbeit mit der LUH einen neuen Rekord zu vermelden: Ein Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt und Prof. Dr. Fei Ding hat eine Quelle verschränkter Photonen mit einer bisher unerreichten Helligkeit entwickelt. Die Photonenquelle besteht aus einer optischen Breitbandantenne, die verschränkte Photonenpaare effizient aus sogenannten Halbleiter-Quanten-Punkten 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 stellt eine besondere Herausforderung unserer Arbeit dar“ sagt Robert Keil, der derzeit seine Doktorarbeit am IFW anfertigt, und damit ein ganz zentrales Problem in den Quantentechnologien behandelt.

„Unsere verschränkten Photonen werden darüber hinaus von dem in der Optoelektronik häufig eingesetzten Halbleitermaterial Galliumarsenid erzeugt“ ergänzt Professor 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 Anwendungspotentials von optischen Quantentechnologien dar“, betont Professor Schmidt, der mit seinem Team bereits vor drei Jahren die schnellste Quelle verschränkter Photonen demonstrieren konnte.

Die Forschungsarbeiten des IFW und der LUH werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Verbund-projekts Q.Link.X gefördert. Q.Link.X hat sich zum Ziel gesetzt, innerhalb von drei Jahren die Kernkomponente der langreichweitigen Quanten¬kommu¬nikation, 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.

Link zum BMBF Projekt:
https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/q-link.x

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt
IFW Dresden
Tel. 0351 4659-800
o.schmidt@ifw-dresden.de

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, Nature Communications (2018) 9:2994, https://doi.org/10.1038/s41467-018-05456-2

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