Multiphotonen-Experimente mit Halbleiterquantenpunkten

Die Quantenphysik hat uns zu einem tieferen Verständnis der mikroskopischen Welt ge- führt 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 herbeige- führt haben oftmals wird in diesem Zusammenhang von einer Quantenrevolution ge- sprochen. Basierend auf den neuen Ideen der Quanten-informationsverarbeitung befinden wir uns heute am Rande einer zweiten Quanten-revolution: 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 Be- reich 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 klassi- scher Rechen- und Kommunikationsarchitekturen bilden. Im vorliegenden Projekt haben wir es uns zum Ziel gesetzt, eine weltweit führende pho- tonische 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 For- scherInnen 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 Pho- tonen 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 Mik- rostrukturen integrieren, die eine effiziente Einspeisung des emittierten Lichtes in die Pho- tonenschaltkreise ermöglicht; (ii) die Farbe der emittierten Photonen mithilfe einer paten- tierten 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 reali- sieren 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 Experi- ment 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.

Die Quantenphysik liefert ein tiefes Verständnis der mikroskopischen Welt und die Werkzeuge, ihre rätselhaften Phänomene zu beschreiben. Aufbauend auf Quanteninformationsverarbeitung stehen wir vor einer "zweiten Quantenrevolution", in der bislang ungenutzte Quanteneffekte zu Quantencomputern und zu Quantennetzwerken führen könnten. Für diese Anwendungen sind Photonen besonders attraktiv, doch fehlten bisher Lichtquellen, die einzelne und mehrere Photonen "auf Abruf" emittieren. Nanometergroße Halbleiterstrukturen bieten hier eine Lösung. Ziel dieses Projekts - einer Kooperation der Universität Linz, der Universität Innsbruck und der Universität Wien - war der Aufbau einer erstklassigen Photonikplattform auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten, die einzelne und verschränkte Photonen erzeugt und für zunehmend komplexe Anwendungen nutzt. Wie geplant integrierten wir Galliumarsenid-Quantenpunkte in elektrisch und mechanisch abstimmbare Bauelemente. Wir entwickelten zirkuläre Bragg-Gitter-Resonatoren (CBRs) zur effizienten Einkopplung in den Freiraum und in Photonikchips und realisierten Dioden CBRs, die hohe Helligkeit, Purcell Verstärkung, Fourier-limitierte Photonen und Wellenlängenabstimmung vereinen. Im Projekt führten wir eine der ersten verschränkungsbasierten QKD Demonstrationen mit Quantenpunkt Photonen durch und - dank der helleren Quellen - Quantenteleportation sowie Entanglement Swapping mit unabhängigen Quantenpunkten. Parallel entwickelten wir robuste Anregungsmethoden: adiabatische Rapid Passage mit gechirpten Laserpulsen für zuverlässige Besetzungsumkehr in mehreren Punkten; die erste experimentelle Demonstration der SUPER-Anregung; sowie die Präparation und Nutzung des langlebigen dunklen Exzitons als Photonenquelle. Auf der Theorieseite untersuchten wir Verschränkung und Korrelationen in Vielteilchensystemen sowie die Ununterscheidbarkeit mehrerer Bosonen. Wir erweiterten Open Source Simulationsframeworks um neue numerische Methoden für größere, komplexere Systeme. Damit optimierten wir Laserpulse für schnelle, effiziente Erzeugung verschränkter Photonen via SUPER und sagten spiegelloses Lasen in linear angeordneten Quantemittern mit teilweisem Pumpen voraus - ein Schritt zu nanoskaligen Frequenzreferenzen. Mit Photonen aus Quantenpunkten demonstrierten wir zwei komplementäre Wege zur Skalierung photonischer Quantenprozessoren: 1) die heraldische Erzeugung dreiphotoniger GHZ Zustände - einer Schlüsselressource für Cluster State Quantenrechnen - durch Demultiplexen eines Einzelphotonenstroms und Verarbeitung in einem interferometrischen Polarisationsnetzwerk; 2) eine Time-Bin Kodierung, die die intrinsisch sequentielle Emission nutzt; mit nur einem räumlichen Modus und einem schnell schaltenden optischen Switch entstand ein programmierbares Mehrphotonen Interferenznetzwerk mit geringerer Hardwarekomplexität bei erhaltener Skalierbarkeit. Diese Fortschritte bringen praktische, chip skalige Quantentechnologien deutlich näher an die Anwendung.