News

Quantenkommunikation: Jedes Photon zählt

Fünf Faktoren überzeugen beim neuen Einzelphotonendetektor: 91 % Entdeckungseffizienz, direkte Integration auf dem Chip, Zählraten im Gigahertztempo, hohe zeitliche Auflösung und vernachlässigbare Dunkelzählraten. (Bild: KIT/CFN)

Ultraschnelle, effiziente und zuverlässige Einzelphotonendetektoren sind begehrte und dennoch bis heute noch nicht anwendungsreife Komponenten in der Photonik und der Quantenkommunikation. Der Quantenphotoniker Dr. Wolfram Pernice vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erzielte nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Yale, Boston und Moscow State Pedagogical den entscheidenden Durchbruch mit einem direkt in den Chip integrierten Einzelphotonendetektor. Der Detektor schafft gleichzeitig höchste Wiedergabetreue und Auswertungsgeschwindigkeit und hat eine nur sehr geringe Fehlerquote. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht (doi:10.1038/ncomms2307).

Ohne eine zuverlässige Detektion, also einer sicheren und schnellen Erfassung einzelner Photonen, lassen sich die neuesten Weiterentwicklungen im Bereich der optischen Datenübertragung oder der Quantencomputer nicht wirklich nutzen. Das ist, als ob man bei einem herkömmlichen Rechner keinen Analog-Digital-Wandler hätte, um zu erkennen, ob die anliegende Spannung für eine 0 oder 1 steht.

Obwohl in den vergangenen Jahren bereits verschiedene Modelle von Einzelphotonendetektoren entwickelt wurden, konnte bislang keiner wirklich zufriedenstellend eingesetzt werden. Gleich mehrere neue Ideen und Weiterentwicklungen flossen in den im Rahmen des Projekts "Integrated Quantum-Photonics" am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) entwickelten Prototypen ein. Der neue im Wellenlängenbereich der Telekommunikation erprobte Einzelphotonendetektor erreicht eine Entdeckungseffizienz von 91 % Dieses Niveau war bisher unerreicht.

Eine weitere Besonderheit des Detektors ist, dass er direkt auf dem Chip installiert ist und somit beliebig vervielfältigt werden kann. Die bisher realisierten Einzelphotonendetektoren waren 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 bemerkenswert niedrigen Dunkelzählrate. Bei einer Dunkelzählung handelt es sich um ein fälschlich detektiertes Photon, beispielsweise infolge einer spontanen Emission, eines Alphateilchens oder eines Störfeldes. Die Konstruktion ermöglicht auch eine ultrakurze Genauigkeitsschwankung von 18 ps, also 18 mal 10 -12 s, bei der Übertragung der Datensignale.

Die neuartige Lösung ermöglicht es darüber hinaus, mehrere Hunderte dieser Detektoren auf einem einzelnen Chip zu integrieren. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die künftige Nutzung in optischen Quantenrechnern.

Der in dieser Studie demonstrierte Detektor wurde mithilfe von Wellenlängen in Telekom-Bandbreite analysiert. Dieselbe Detektorarchitektur kann aber auch für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Licht eingesetzt werden. Damit könnte das Prinzip für die Analyse all solcher Strukturen eingesetzt werden, die wenig Licht - also Photonen - emittieren, beispielsweise einzelne Moleküle oder Bakterien.

Anzeige
Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Power-to-Gas

Wirkungsgrad auf über 75 % gesteigert

Das Erdgasnetz kann als Puffer für den wetterabhängigen Strom aus Wind und Sonne dienen. Notwendig dazu sind wirtschaftliche Prozesse, die Strom nutzen, um chemische Energieträger zu erzeugen. Im Rahmen des Projekts Helmeth wurde jetzt gezeigt, dass...

mehr...
Anzeige

Effizienz und Leistung

Die neue Pioneer mit vielen Funktionen zum intelligenten Betrieb in Ihrem Labor. Mit antistatischem Stab zur Erdung. Weitere Informationen über die Waagen Pioneer PX

 

mehr...
Anzeige
Anzeige

Highlight der Woche

Quadrupol-Massenspektrometer PrismaPro®
Mit dem PrismaPro bietet Pfeiffer Vacuum ein Quadrupol-Massenspektrometer für die qualitative und quantitative Gasanalyse sowie zur Lecksuche an.

Zum Highlight der Woche...
Anzeige

Highlight der Woche

Perfekte GCMS-Ergebnisse dank Shimadzu NX-Technologien
Shimadzu erweitert die Singlequad- und Triplequad-GCMS um den Gaschromatographen GC-2030. Damit werden Analysen präziser, Wartungsarbeiten vereinfacht und die Geräteauslastung maximiert.

Zum Highlight der Woche...