Multiphotonen-Experimente mit Halbleiterquantenpunkten

Die Quantenphysik hat uns zu einem tieferen Verständnis der mikroskopischen Welt geführt und uns Werkzeuge zur quantitativen Beschreibung ihrer rätselhaften Phänomene geliefert. Diese Werkzeuge wurden zur Herstellung elektronischer Geräte bzw. ganzer Netzwerke genutzt, welche radikale Veränderungen der modernen Gesellschaft herbeigeführt haben – oftmals wird in diesem Zusammenhang von einer „Quantenrevolution“ gesprochen. Basierend auf den neuen Ideen der Quanten-informationsverarbeitung befinden wir uns heute am Rande einer „zweiten Quantenrevolution“: Bisher ungenutzte Quanten-phänomene könnten in „Quantencomputern“ Anwendungen finden, mit deren Hilfe bis dato unlösbare Probleme gelöst werden könnten, und die weiters zur Entwicklung von Quanten-kommunikations-systemen führen könnten, welche allerhöchste Sicherheit gewährleisten. Unter den möglichen Bausteinen dafür stellen Photonen – die Lichtquanten – die natürliche Wahl für die Quantenkommunikation dar und sind auch geeignet für Anwendungen im Bereich der Quantencomputer. Eine der Hürden auf dem Weg zu diesen revolutionären An-wendungen war immer das Fehlen von Lichtquellen, die imstande sind, „auf Befehl“ Einzel- und Mehrfachphotonen zu emittieren. Die Lösung dieses Problems könnten Strukturen von Halbleitermaterialien im Nanometerbereich liefern, welche bereits die Grundlage klassischer Rechen- und Kommunikationsarchitekturen bilden.
Im vorliegenden Projekt haben wir es uns zum Ziel gesetzt, eine weltweit führende photonische Plattform zu etablieren, die sich auf einen neuartigen Typ von Halbleiter-photonenquellen in Kombination mit innovativen photonischen Schaltkreisen stützt, und diese zur Demonstration von Multiphotonen-Quantenprotokollen zu benutzen. Um dieses Ziel zu erreichen, kombinieren wir die komplementären Expertisen der teilnehmenden ForscherInnen an den Universitäten Innsbruck, Linz und Wien.
Wir konzentrieren uns auf Halbleiter-Quantenpunkte aus Galliumarsenid, welche sehr vorteilhafte Eigenschaften zeigen, wie etwa die Fähigkeit, einzelne und verschränkte Photonen mit Emissionsraten im Gigahertzbereich zu erzeugen. Dabei passt die Farbe ihres Lichts zu dem Bereich in welchem Silizium-Detektoren sehr empfindlich sind. Es werden allerdings noch erhebliche Anstrengungen nötig sein, um die Helligkeit der Lichtquellen und die Qualität der Photonen zu erhöhen. Insbesondere bei der kombinierten Verwendung mehrerer solcher Quellen müssen die emittierten Photonen vollkommen identisch sein. Diesen Herausforderungen werden wir uns stellen, indem wir: (i) die Quantenpunkte in Mikrostrukturen integrieren, die eine effiziente Einspeisung des emittierten Lichtes in die Photonenschaltkreise ermöglicht; (ii) die Farbe der emittierten Photonen mithilfe einer patentierten Technologie feinabstimmen, und (iii) verschiedene Methoden der Anregung für die Quantenpunkte erforschen, um die „Reinheit“ der emittierten Photonen zu erhöhen. Parallel zur Verbesserung der Photonenquellen werden wir immer komplexere Anwendungen realisieren und in photonische Hochleistungs-Bauelemente integrieren. Unter anderem ist ein Ziel die Erzeugung von „Clusterzuständen“ einiger Photonen für sichere Quantencomputer. Passende Tests sollen entwickelt werden, um die Entstehung solcher Zustände im Experiment zu verifizieren und die Leistungsfähigkeit des Systems zu charakterisieren.
Die Kombination des Quantenlichts aus den neuartigen Quantenpunkten mit integrierten Photonenschaltungen andererseits, machen dieses Forschungsvorhaben einzigartig. Auf lange Sicht erwarten wir, dass der hier skizzierte Ansatz es uns ermöglichen wird, uns den ultimativen Grenzen der photonischen Quanteninformationsverarbeitung anzunähern.