Mehr Photonen für die Quantenkommunikation

Forscher*innen aus Deutschland und Österreich stellen in der renommierten Fachzeitschrift Nano Letters eine neue Methode für die Erzeugung von Photonen vor, mit der die Informationsrate in zukünftigen Quantenkommunikationsnetzwerken verdoppelt werden kann. Die Arbeit beruht auf einer theoretischen Vorhersage des Teams um die Physikerin Dr. Doris Reiter von der TU Dortmund.

Überall auf der Welt forschen Physiker*innen daran, neue Technologien zu entwickeln, die sich die Prinzipien der Quantenmechanik zu Nutze machen. Eine Schlüsselanwendung ist die Quantenkommunikation: Sie basiert darauf, Licht in seiner kleinsten Einheit, dem Photon, zu verschicken. Für viele Anwendungen muss das Licht aber in einem bestimmten Zustand sein, nämlich in einem Einzelphotonenzustand. Doch wie erzeugt man solche Einzelphotonenzustände am besten?

Wissenschaftler*innen nutzen dafür Quantenpunkte – winzige Halbleiterkristalle, die in Chip-Bausteine integriert werden können. Mit Laserlicht kann man den Quantenpunkt anregen und so ein Einzelphoton erzeugen. Dies ist jedoch knifflig: Wenn das Laserlicht die gleiche Wellenlänge (Farbe) wie das erzeugte Einzelphoton hat, ist eine komplizierte Filtertechnik nötig. Dabei gehen mindestens die Hälfte der erzeugten Photonen wieder verloren.

Um dieses Problem zu überwinden, haben theoretische Physiker*innen im vergangenen Jahr eine neue Methode vorgeschlagen: das Swing-UP of quantum EmitteR population (SUPER)-Schema. An den theoretischen Überlegungen war Dr. Doris Reiter federführend beteiligt. Reiter leitet seit April 2022 eine eigene Arbeitsgruppe im Bereich Theorie der kondensierten Materie an der Fakultät Physik der TU Dortmund. Ihr Team beschäftigt sich damit, Quantenphänomene auf kleinsten Skalen zu verstehen und somit neuartige Quantentechnologien nutzbar zu machen. Die Forscher*innen nutzen dabei unter anderem auch numerische Simulationen.

Anzahl der Einzelphotonen könnte sich verdoppeln

Bereits Ende 2021, als sie noch an der Westfälische Wilhelms-Universität Münster tätig war, hatte Reiter als Leiterin einer Studie in Zusammenarbeit mit Physiker*innen der Universität Bayreuth die neue Methode vorgeschlagen, um Einzelphotonen zu erzeugen. Jetzt konnte sie diese in Kooperation mit experimentellen Physiker*innen aus Innsbruck und Linz auch im Labor umsetzen. Doris Reiter erklärt: „Das SUPER-Schema nutzt zwei rot-verstimmte Laserpulse, also solche mit geringerer Energie als der Quantenpunkt-Übergang, um Einzelphotonen zu erzeugen.“ So wird das Filtern überflüssig und theoretisch können doppelt so viele Einzelphotonen erzeugen werden.

Um das Experiment zu realisieren, mussten die Forscher*innen also zwei verschiedene Laserpulse erzeugen. Das Team der Universität Innsbruck hat diese zwei Laserpulse aus einem Puls hergestellt und dafür ein spezielles Bauteil, einen räumlichen Lichtmodulator, benutzt. Die für das Experiment nötigen mit Quantenpunkten kamen von der Universität Linz. „Durch den Austausch zwischen Theorie und Praxis konnten wir die neue Methode im Experiment erfolgreich umsetzen“, betont Thomas Bracht, der in der Arbeitsgruppe von Dr. Doris Reiter promoviert und die theoretischen Berechnungen durchgeführt hat.

Das Experiment hat gezeigt, dass das SUPER-Schema sehr gut funktioniert und die Ergebnisse hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Mit der Umsetzung dieser neuen Methode, über die die Wissenschaftler*innen in der Fachzeitschrift Nano Letters berichten, machen sie einen großen Schritt vorwärts im Bemühen, Quantenkommunikation nicht nur im Labor, sondern für echte Anwendungen nutzbar zu machen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Doris Reiter
Fakultät Physik
Tel.: +49 231 755 3770
E-Mail: doris.reiter@tu-dortmund.de

Originalpublikation:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01783

https://www.tu-dortmund.de/universitaet/aktuelles/detail/mehr-photonen-fuer-die-quantenkommunikation-23776/