Festkörperplattform für Quantentechnologien
Photonen stellen sowohl für die klassische als auch die Quanteninformationsverarbeitung, bei der sie als Träger von Informationen fungieren, attraktive Kandidaten dar. Eine effiziente Generierung und Lenkung von Photonen erfordert jedoch die Entwicklung optischer Bauelemente, die mit geringen Photonenzahlen arbeiten und Einzelemitter-Einzelphotonenniveaus erreichen. Eine ideale Einzelphotonenquelle würde Lichtimpulse erzeugen, die jeweils nicht mehr als ein Photon enthalten. Zusätzlich wären alle Photonen hinsichtlich ihres Freiheitsgrads wie Wellenlänge und Polarisierung identisch. Bei der Entwicklung von auch nur nahezu optimalen Einzelelektronenquellen mussten die Forscher viele wissenschaftliche als auch technische Schwierigkeiten überwinden. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) finanzierten Projekts QD-CQED (A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations) konzipierten sie die ersten optoelektronischen Bauelemente, die aus Quantenpunkten bestehen, die in elektrisch gesteuerten Mikrokavitäten exakt angeordnet waren. Der Erhalt effizienter Quellen, die äußerst ununterscheidbaren Einzelphotonen produzieren, war das Ergebnis mehrerer Jahre Forschung. Die Herausforderung der Vollkommenheit „Zukunftsweisende Quantenprotokolle erfordern Quantensysteme, die von ihrer Umgebung isoliert und deren Dekohärenzphänomene minimiert sind“, betont Dr. Pascale Senellart-Mardon vom Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Forschungsleiterin von QD-CQED. Bei einem Festkörper-Photonenemitter, der in eine schwingende und fluktuierende Umgebung eingefügt wurde, war das offensichtlich nicht der Fall. Um die Einzel-Emitter-Einzelphotonen-Ebene zu erreichen, mussten die Forscher einen Quantenpunkt an eine Mikrokavität koppeln und das elektromagnetische Feld rund um den Emitter manipulieren und es dazu bringen, in einem klar definierten optischen Feldmodus zu emittieren. „Im Lauf des Projekts wurde uns schrittweise klar, dass wir schwankende Ladungen und auch Phononen, d. h. die Auswirkungen von Schwingungen auf die elektronische Erregung der Festkörperstruktur, reduzieren können. Zu diesem Zweck haben wir das optische Feld sowohl räumlich als auch zeitlich eingeschlossen, während das elektrische Feld am Emitter angelegt wird“, erläutert sie. Anders als bei den existierenden Verfahren, bei denen der Hohlraum mit einem Polymer abgedeckt wird, hat das QD-CQED-Team säulenförmige Kavitäten von wenigen Mikrometern Durchmesser unter Einsatz von eindimensionalen Drähten zu größeren Elementen verbunden. Die innovative Ausgestaltung (veranschaulicht im Bild) war maßgeblich daran beteiligt, die Auswirkungen der Festkörperumgebung des Emitters zu unterdrücken. „Wir konnten belegen, dass unser künstliches Atom, die Quantenpunkte, die aus tausenden Atomen bestehen, wenn sie in eine Festkörpermatrix eingefügt werden, optische Eigenschaften ähnlich wie ein natürliches Einzelatom im Vakuum aufweist. Zudem bietet unsere Festkörper-Implementierung die Vorteile von Integration und Skalierbarkeit“, erklärt Dr. Senellart-Mardon. Weit über die Erwartungen hinaus Die neue Quelltechnologie bietet qualitativ hochwertige Einzelphotonen mit einer Helligkeit, welche die der existierenden Quellen um eine Größenordnung übersteigt. Noch wichtiger ist, dass sie dazu beigetragen hat, Zwischenschritte des Quantencomputing wie etwa das sogenannte Bosonen-Sampling hochzuskalieren, das deutlich schneller als mit der üblichen Quelltechnologie durchgeführt wurde. Die Möglichkeiten der QD-CQED-Technologie widerspiegeln sich in der in Nature Photonics veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeit, die 2016 zu den 0,1 % der am häufigsten in der theoretischen Physik zitierten Artikel zählte. Um die Quellen zu nutzen, wird eine steigende Anzahl von Kooperationen mit Forscherinnen und Forschern aus der Gemeinschaft der Quantenoptik aufgebaut. Bisher wurden die Quellen zur Implementierung dazwischen liegender optischer Rechenprotokolle und zur Demonstration von zwei Photonentoren eingesetzt. Das Team hat auch gezeigt, dass ein stationäres Quantenbit auf wirkungsvolle Weise gesteuert werden kann, wobei die Lichtimpulse nur ein paar Photonen einbetten. Dr. Senellart-Mardon schließt mit den Worten: „2017 wird ein Spin-off-Unternehmen gegründet, um es einer größeren Gemeinschaft zu ermöglichen, von diesem Fortschritt zu profitieren. Hinter dieser Initiative stehen zwei junge Forscher, die beide von QD-CQED in ihren Forschungsanstrengungen unterstützt wurden. Und so erscheint die Zukunft der optischen Quantentechnologien im strahlenden Licht!“
Schlüsselbegriffe
Quantentechnologien, optische Mikrokavitäten, Quantenpunkte, Einzelphotonenquelle, QD-CQED
