Einzelphotonen-Detektor für sichere und extrem schnelle Quantenkommunikation
Einzelne Photonen werden auf Abruf mit exakt definierten Eigenschaften erstellt. Sie bieten bisher unerreichte Eigenschaften von revolutionärer Bedeutung für moderne Forschungsgebiete. Diese reichen von der Quanteninformationsverarbeitung und medizinischer Diagnostik über Fernerkundung und Fotografie bis hin zur Astronomie. Das zum Teil von der EU finanziell unterstützte Forscherteam des Projekts Qdet entwickelte einen innovativen Detektor, der dazu beiträgt, dass komplexe Quantenexperimente einfacher und schneller durchgeführt werden können. „Das neue Prototypsystem von Qdet ist das erste seiner Art, das einzelne Photonen im Nah-Infrarotbereich mit nahezu einheitlicher Effizienz, extrem geringen Störungen und sehr hoher Zeitauflösung erfassen kann“, bemerkt Dr. Sander Dorenbos, CEO beim Projektpartner Single Quantum. Fortschritte in der Supraleitfähigkeit erschließen Die am Projekt beteiligte Forschergruppe baute auf dem Erfolg eines neuen Detektortyps auf der Grundlage von supraleitfähigen Nanodrähten auf, das vor kurzem von Single Quantum auf den Markt gebracht wurde. „Supraleitfähige Nanodraht-Einzelphoton-Detektoren (Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors – SNSPDs) weisen im Vergleich mit ihren Halbleiter-Pendants, die in Forschungslaboren und in der Industrie nach wie vor weit verbreitet sind, eine bedeutend höhere Photonen-Detektionseffizienz auf“, bemerkt Dr. Dorenbos. Bei einem SNSPD handelt es sich um einen Nah-Infrarot-Detektor, der aus einer dünnen und schmalen Folie aus supraleitfähigem Material besteht. Er weist ein durch Nanofertigungsprozesse erzeugtes kompaktes mäanderförmiges Nanodrahtmuster auf. Der Nanodraht wird deutlich unter seine für die Supraleitfähigkeit kritische Temperatur gekühlt und mit einem Strom nahe der für die Supraleitfähigkeit des Nanodrahts kritischen Stromstärke bestromt. Der Detektionsprinzip basiert auf dem Übergang des Nanodrahts von einem supraleitfähigen in einen resistiven Zustand. Wird ein Einzelphoton im mäanderförmigen Nanodraht absorbiert, wird die Supraleitfähigkeit lokal unterbrochen. Dadurch wird der Strom in Richtung der Verstärkungselektronik geleitet und erzeugt einen Spannungsimpuls. Die Supraleitfähigkeit wird dann innerhalb kurzer Zeit wiederhergestellt und der SNSPD ist wieder bereit, das nächste Photon zu detektieren. Bis heute sind SNSPDs die schnellsten Detektoren, die Einzelphotonen zählen und viele bahnbrechende Anwendungen im Bereich Quanteninformationstechnologien ermöglichen. „Unser Prototypsystem übertrifft Detektoren auf dem heutigen Stand der Technik um mehrere Größenordnungen“, bemerkt Dr. Dorenbos. Optimierung des Betriebs in den Nah-Infrarotbereich Die sichere Übertragung von Quanteninformationen über größere Distanzen erfordert extrem schnelle Detektoren und ein Quantenspeichersystem, das mindestens für die Übertragungszeit geeignet ist. „Der Einzelphotondetektor von Qdet stellt eine wichtige Ergänzung der Quantenwerkzeuge dar, die den Austausch und die Verarbeitung von Informationen mit absoluter Sicherheit ermöglichen sollte“, ergänzt Dr. Dorenbos. Das Projektteam konnte den Lichtdetektor von Single Quantum so verfeinern, dass er bei 795 nm funktioniert. Diese Wellenlänge erleichtert Experimente mit Quantenspeichertechniken, die Photonen in einem Gas aus Rubidiumatomen speichern, da Rubidiumatome in genau dieser Wellenlänge abstrahlen. Der im Nah-Infrarotbereich arbeitende Quantensensor von Qdet ergänzt auf ideale Weise das Portfolio des Unternehmens, das bereits für kritische Wellenlängen optimierte Hochleistungsdetektoren umfasst: 1 300 nm und 1 550 nm für Forschung im Bereich optische Kommunikation, 900 nm für Quantenpunkte und 1 060 nm für Lichterkennung und Bereichsauswahl, um nur einige zu nennen.
Schlüsselbegriffe
Qdet, Nah-Infrarot, Quanteninformationen, supraleitfähiger Nanodraht-Einzelphotondetektor, Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (SNSPD), Single Quantum, Quantenspeicher, Quantenkommunikation
