Detektor kann einzelne Photonen genau erkennen

Licht, Optik, Lila Bildquelle: Informationsdienst Wissenschaft
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es wohl gelungen, einen entscheidenden Durchbruch bei der Entwicklung von Detektoren zu erzielen, die einzelne Photonen erfassen können. Solche Komponenten stehen auf der Wunschliste von Forschern, die sich mit Photonik und Quantenkommunikation befassen, ganz oben. Allerdings konnten bei heute keine anwendungsreifen Komponenten dieser Art gebaut werden. Die Effizienz und Zuverlässigkeit war schlicht zu gering. Das könnte sich nun ändern.

In Karlsruhe gelang es, einen direkt in einen Chip integrierten Einzelphotonendetektor zu entwickeln. Dieser soll gleichzeitig eine hohe Wiedergabetreue und Auswertungsgeschwindigkeit erreichen und nur eine geringe Fehlerquote aufweisen. Die beteiligten Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse nun im Fachmagazin 'Nature Communications'.

Gut funktionierende Einzelphotonendetektoren werden in Zukunft eine wichtige Grundlage bei den neuesten Weiterentwicklungen im Bereich der optischen Datenübertragung oder der Quantencomputer darstellen. Der neue, im Wellenlängenbereich der Telekommunikation erprobte Sensor erreicht eine Entdeckungseffizienz von 91 Prozent. Dieses Niveau war bisher unerreicht.

Der Kern des Systems sind supraleitende Nanodrahtdetektoren, die direkt auf einem nanophotonischen Wellenleiter aufgebracht werden. Bildlich darf man sich das wie eine lichtleitende Röhre vorstellen, um die ein Draht gewickelt ist, der sich im supraleitenden Zustand befindet. Der nanometerdünne Draht aus Niobnitrid absorbiert Photonen, die sich entlang des Wellenleiters ausbreiten. Wird ein Photon absorbiert, kommt es zum Verlust der Supraleitung, was sich in Form eines elektrischen Signals bemerkbar macht. Je länger diese Röhre ist, desto größer ist die Detektionswahrscheinlichkeit - dabei handelt es sich allerdings um Längen im Mikrometerbereich.

Eine weitere Besonderheit des Detektors liegt darin, dass er direkt auf einem Chip installiert ist und somit beliebig vervielfältigt werden kann. Die bisher realisierten Einzelphotonendetektoren waren stets eigenständige Einheiten, die vor den Chip geschaltet wurden. Eine solche Anordnung hat den großen Nachteil, dass Photonen in der zusätzlich benötigten Faserverbindung verloren gehen oder anderweitig absorbiert werden.

Bei dem nun vollständig in den Silizium-Schaltkreis für Photonen eingebetteten Detektor entfällt diese Verlustquelle. Das führt neben der hohen Entdeckungseffizienz zu einer sehr niedrigen Dunkelzählrate. Bei einer Dunkelzählung handelt es sich um ein fälschlich detektiertes Photon, beispielsweise infolge einer spontanen Emission, eines Alphateilchens oder eines Störfeldes. Licht, Optik, Lila Licht, Optik, Lila Informationsdienst Wissenschaft
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