Forschern gelingt großer Schritt zum Quantenchip

Wissenschaftler aus Österreich und Kanada sind dem Fernziel, quantenoptische Experimente und Funktionen auf Halbleiterchips zu integrieren, einen wichtigen Schritt näher gerückt. Sie haben im Labor erstmals eine praktikable Quelle für Photonenpaare in einem Halbleiter realisiert. Experimentalphysiker nutzen seit Jahren verschränkte Photonen, um die Eigenschaften der Quantenwelt zu ergründen. Für Anwendungen dieser Phänomene in der Quantenkryptographie oder in Quantencomputern werden alltagstaugliche Technologien benötigt. Physiker hoffen deshalb auf die Verfügbarkeit quantenoptischer Chips, in denen alle benötigen Funktionen auf kleinstem Raum untergebracht werden können.

Forscher der Universität Innsbruck und der Universität Waterloo haben nun gemeinsam mit Forschern der Universität Toronto erstmals auf einem Halbleiterchip aus Gallium-Arsenid eine Quelle für verschränkte Photonenpaare realisiert. Gallium-Arsenid ist ein gängiges Material für den Bau von Laserdioden. Es verfügt über die von Quantenoptikern geschätzten nichtlinearen Eigenschaften, die vielfältige physikalische Phänomene technologisch nutzbar machen.

So lassen sich in dem Material auch Photonen aus einem Laser in Photonenpaare niedrigerer Energie aufspalten. Diese in einem Halbleiter generierten Photonenpaare sind verschränkt, haben also einen Quantenzustand gemeinsam. Für die praktische Nutzung der Verschränkung für die Informationsverarbeitung stellt sich aber ein Problem.

"Weil sich die Photonen des Lasers und die Photonenpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das transparente Material fortbewegen, löschen sie sich meist gegenseitig aus", erklärt Gregor Weihs, einer der beteiligten Wissenschaftler. "Die Ausbeute an Photonenpaaren ist deshalb äußerst gering."

Der Idee von Forscherkollegen der Universität Toronto folgend, haben Weihs und sein Team den Halbleiterchip deshalb wie einen Schichtkuchen aufgebaut. Die einzelnen Schichten haben unterschiedliche Brechungsindizes, und ihre Dicke liegt im Nanometerbereich. An den Schichtgrenzen kommt es zu Lichtreflexionen, die - richtig eingesetzt - die Photonen in gleicher Geschwindigkeit durch das Material leiten und so die gegenseitige Auslöschung verhindern. Damit steigt die Effizienz der Photonenquelle stark an.

Die exakte Herstellung der genau definierten Nanostrukturen ist freilich nicht einfach, so dass die Physiker in ihrem Experiment noch hohe Leistungsverluste verzeichnen. "Der Effekt ist allerdings so effizient, dass wir selbst unter diesen Voraussetzung ein sehr gutes Signal erhalten", so Weihs. Nun will er mit seinem Team die Photonenquelle so weiterentwickeln, dass auch die Polarisation der Photonen verschränkt werden kann. Diese Eigenschaft wird in der Quanteninformationsverarbeitung mit Photonen besonders oft gerne eingesetzt.

"Wir haben immer von einer solchen integrierten Photonenquelle geträumt, in die wir einen elektrischen Impuls senden und am Ausgang verschränkte Photonen erhalten", erzählt Gregor Weihs. "Damit werde ich in unseren Experimenten die heute noch aufwändigen Aufbauten eines halben Labortisches ersetzen können." Am Ende dieser Entwicklung könnten vollständig integrierte quantenoptische Bausteine stehen, die die Quanteninformationsverarbeitung in Zukunft alltagstauglich machen.