Einzelphotonenquelle für die Quantenkommunikation

Einzelne Photonen von höchster quantenoptischer Qualität

Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, Leiter des Fachgebietes „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ der TU Berlin, und seinen Mitarbeitern ist es gelungen, ein neuartiges Herstellungsverfahren für effiziente Einzelphotonenquellen mit höchster quantenoptischer Qualität zu entwickeln.

Schematische Darstellung der Einzelphotonenquelle auf Basis einer Quantenpunkt-Mikrolinse. Der Bragg-Reflektor im unteren Bereich (hellgrau-dunkelgraue Schichtabfolge) sorgt für eine effiziente Rückreflektion von nach unten emittierten Photonen. (© TU Berlin)

Das Forscherteam setzt hierbei eine weltweit einzigartige Strukturierungstechnik ein, um einzelne lichtemittierende Quantenpunkte gezielt und mit hoher Präzision in nanophotonische Bauelemente zu integrieren. Das neue Verfahren wurde in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die hergestellten Einzelphotonenquellen nutzen den Fokussiereffekt von deterministisch hergestellten winzigen Mikrolinsen, um die Photonenemissionsraten der Quantenpunkt-Halbleiterstrukturen erheblich zu steigern. Dabei weisen diese Quantenpunkt-Mikrolinsenstrukturen alle quantenoptischen Voraussetzungen auf, um die anspruchsvollen Anforderungen der Quantenkommunikationstechnologien zu erfüllen. Dies ist von besonderer Bedeutung, da viele andere Ansätze nur Teilaspekte bedienen.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 787 „Halbleiter-Nanophotonik“, dessen Sprecherhochschule die TU Berlin ist, in Kooperation mit Wissenschaftlern am Konrad-Zuse Institut Berlin durchgeführt. Für die Herstellung der Einzelphotonenemitter kam dabei eine neu entwickelte und weltweit einzigartige Strukturierungstechnik zum Einsatz, die bei kryogenen Temperaturen arbeitet und spektroskopische Untersuchungsmethoden mit Elektronenstrahllithografie in einem Schritt mit Nanometergenauigkeit vereint. Die Herstellung der Quantenbauelemente wurde durch die exzellente Infrastruktur des Zentrums für Nanophotonik an der TU Berlin ermöglicht.

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Optische Quantenkommunikationstechnologien stellen eine zukunftsweisende Weiterentwicklung der konventionellen optischen Übertragungstechniken dar. Im hochaktuellen Bereich der Quantenkryptografie versprechen sie eine inhärent sichere Datenübertragung, indem grundlegende quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten ausgenutzt werden. Hierzu müssen insbesondere konventionelle Lichtquellen, wie zum Beispiel Leuchtdioden oder Laser, durch hochoptimierte Einzelphotonenquellen ersetzt werden. Diese Quantenbauelemente emittieren quasi auf Knopfdruck immer nur ein Photon, sprich die kleinstmögliche Lichtmenge, auf einmal.

Publikation:
M. Gschrey, A. Thoma, P. Schnauber, M. Seifried, R. Schmidt, B. Wohlfeil, L. Krüger, J.-H. Schulze, T. Heindel, S. Burger, F. Schmidt, A. Strittmatter, S. Rodt und S. Reitzenstein, Highly indistinguishable photons from deterministic quantum-dot microlenses utilizing 3D in situ electron-beam lithography, Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms8662.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Stephan Reitzenstein
TU Berlin, Institut für Festkörperphysik
Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente
E-Mail: stephan.reitzenstein@physik.tu-berlin.de

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