Ein neues Experiment an der Universität Innsbruck in Zusammenarbeit mit Forscher*innen aus Bayreuth, Dortmund, Münster und Linz zeigt, dass mit der sogenannten SUPER-Methode für die Erzeugung von Photonen die Informationsrate in zukünftigen Quantenkommunikationsnetzwerken verdoppelt werden kann.
Überall auf der Welt forschen Physiker*innen daran, neue Technologien zu entwickeln, die sich die Prinzipien der Quantenmechanik zu Nutze machen. „Ein Versprechen der Quantenkommunikation ist es, Informationen sicher austauschen zu können. Jeder heimliche Lauschangriff würde bemerkt“, erklärt Gregor Weihs, Leiter des Instituts für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck. Quantenkommunikation basiert darauf, Licht in seiner kleinsten Einheit, dem Photon, zu verschicken. Um Einzelphotonen zu erzeugen, benutzen die Wissenschaftler*innen Quantenpunkte. „Das sind winzige Halbleiterkristalle, die einfach in Chip-Bausteine integriert werden können“, erklärt Armando Rastelli vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Johannes Kepler Universität Linz.
Mit Laserlicht kann man den Quantenpunkt anregen und so ein Einzelphoton erzeugen. Dies ist aber 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, wurde im vergangenen Jahr eine neue Methode vorgeschlagen: das Swing-UP of quantum emitteR population (SUPER)-Schema. Doris Reiter von der TU Dortmund 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.
Die Forschungsarbeit resultierte aus einer Zusammenarbeit von Forscher*innen aus Österreich und Deutschland. „Der Austausch zwischen Theorie und Experiment hat die erfolgreiche Umsetzung des Vorschlags ermöglicht“, betont Thomas Bracht von der Universität Münster, der die theoretischen Berechnungen durchgeführt hat. Um das Experiment zu realisieren, mussten die Forscher*innen zwei verschiedene Laserpulse erzeugen. „Wir haben die zwei Laserpulse aus einem Puls hergestellt. Dafür haben wir ein spezielles Bauteil, einen räumlichen Lichtmodulator, benutzt“, erklärt Yusuf Karli, der zusammen mit Florian Kappe und Vikas Remesh das Experiment an der Universität Innsbruck mit Quantenpunkten aus der Universität Linz durchgeführt hat. Das Experiment hat gezeigt, dass das SUPER-Schema sehr gut funktioniert und die Ergebnisse hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen.
Mit der Realisierung 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.
Publikation: SUPER Scheme in Action: Experimental Demonstration of Red-Detuned Excitation of a Quantum Emitter. Yusuf Karli, Florian Kappe, Vikas Remesh, Thomas K. Bracht, Julian Münzberg, Saimon Covre da Silva, Tim Seidelmann, Vollrath Martin Axt, Armando Rastelli, Doris E. Reiter, and Gregor Weihs. Nano Lett. 2022 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01783