CMOS-kompatible Einzelphotonen-Quellen (CUSPIDOR)

Der rasante Fortschritt neuer Quantentechnologien wird die Entwicklung der Gesellschaft transformativ beeinflussen, da sie die Art der Informationsverarbeitung grundlegend verändern wird. Dabei ist Quantenkryptographie ist ein besonders wichtiger Aspekt, da sie einen Angriff auf privaten Datenaustausch sofort bemerkbar und somit unterbindbar macht. Für die Quantenkryptographie ist die effiziente Generierung einzelner Photonen essentiell. Gegenwärtig geschieht dies mit großen und teuren Aufbauten mit einer trotzdem nur bescheiden Rate. Die klassische Informationstechnologie zeigt, dass für eine nahezu allumfassenden Verbreitung robuste, hoch integrierte und preisgünstige Module nötig sind. Bei weitem die höchste Integrationsdichte ist mit Silizium CMOS-Technologie kostengünstig realisierbar. Daher zielt CUSPIDOR auf die Entwicklung einer neuen, CMOS-kompatiblen Quantenoptikplattform ab, mit der deterministische Einzelphotonenquellen realisiert werden können. Diese Quellen werden im Telekommunikationswellenlängenbereich emittieren, sodass bereits bestehende Netzwerke für Quantenkommunikation unmittelbar verwendet werden können. Eine neue Art von Silizium-Germanium Quantenpunkten (SiGe QP), bei denen bei Raumtemperatur und darüber Photonenemission beobachtet wurde, wird in CUSPIDOR zur Erzeugung einzelner Photonen genutzt. Solche QP werden optimal und deterministisch mit nano- photonischen Resonatoren gekoppelt, wodurch die Photonenemissionsrate drastisch erhöht wird. Die Kopplung wird durch QP-Wachstum an lithographisch vordefinierten Stellen zusammen mit präzis justierten, lithographisch definierten Resonatoren aus photonischen Kristallen erreicht. Die Verwendung lithographischer Methoden für beide Prozessschritte erlaubt die einfache, CMOS- kompatible Herstellung einer großer Anzahl identischer Einzelphotonenquellen, die im weiteren mit lithographisch definierten, lateralen p-i-n Dioden mit einem QP im Zentrum kombiniert werden, sodass Einzelphotonenemission elektrisch ausgelöst werden kann. Außerdem werden in CUSPIDOR die SiGe QP zur Entwicklung einer auf Photonenblockade beruhenden Einzelphotonenquelle verwendet. Die Photonentransmission durch ein solches Bauelement wird blockiert, solange sich noch ein früheres Photon im Bauelement befindet. Daher entsteht eine Sequenz von Photonen mit wohldefinierten zeitlichen Abständen bei Wechselwirkung des Bauelements mit einem Laserstrahl. Durch Quanteninterferenz in gekoppelten Resonatoren aus photonischen Kristallen wird die Effizient des Blockadeeffekts gesteigert, sodass die erstmalige Realisierung eines integrierten Blockade Bauelements - ein ``heiliger Gral`` der QuantenphotonikerInnen - in CUSPIDOR gezeigt werden wird. Neben der Bedeutung für die Grundlagenforschung ermöglichtein solches Bauelement die Anwendung von Quantenkommunikationsprotokollen, die mit einem einzelnen QP nicht möglich sind, da sie auf Kohärenz der einzelnen Photonen beruht. CUSPIDORs Endziel ein Demonstrator für eine kompakte, integrierte und flexible Einzelphotonenquelle, die sich für eine Prototypentwicklung eignet.

Das Projekt "CUSPIDOR" zielte auf die Entwicklung einer neuen, CMOS-kompatiblen Quantenoptikplattform ab, mit der Einzelphotonenquellen im typischen Wellenlängenbereich für optische Datenübertragung realisiert werden können. Eine solche Plattform kann direkt in bestehende Telekommunikationsnetzwerke eingebunden werden, deren Nutzung für den Aufbau von Quantennetzwerken als unerlässlich angesehen wird. Die für eine zukünftige Quantenoptikplattform erforderliche Präzision, Erweiterbarkeit, kostengünstige Fabrikation, und Möglichkeit der Kombination mit Kontrollelektronik kann mit realistischem Entwicklungsaufwand nur unter CMOS-Kompatibilität erreicht werden. Wenige Nanometer große Silizium-Germanium Kristalle, sogenannte Quantenpunkte (SiGe QP), wurden auf ihre Eignung als Einzelphotonenquelle untersucht. Solche Quantenpunkte bilden sich unter geeigneten Wachstumsbedingungen in einer Molekularstrahl-Epitaxieanlage (MBE) an vorbestimmten, periodisch angeordneten Positionen. In diesem Projekt wurden die Wachstumsbedingungen in Hinblick auf eine sehr großen periodischen Abstand zwischen den einzelnen Quantenpunkte (100 m x 100 m) optimiert. Große Abstände sind wichtig, weil SiGe QP an sich sehr ineffiziente Photonenemitter sind und zur Effizienzsteigerung einzeln in photonische Resonatoren etwa dieser Abmessungen integriert werden müssen. Für die photonischen Resonatoren wurde ein Layout gewählt, von dem gezeigt wurde, dass bei einfachen Designregeln sehr hohe Gütefaktoren erreicht werden können (bichromatisches Layout). Diese Resonatoren wurden allerdings vor CUSPIDOR noch nie mit einzelnen SiGe QP in ihren Zentren hergestellt und charakterisiert. Mit den oben diskutierten, optimierten Wachstumsbedingungen für einen einzigen QP pro Resonator konnten die größten bisher berichteten Gütefaktoren (Q ~ 100000) von an QP gekoppelten Resonatoren erzielt werden für die Standardplattform für Bauelementen der klassischen integrierten Optik (SOI Plattform). Wegen dieses großen Gütefaktors konnte die Emission eines einzelnen SiGe QP auch bei Raumtemperatur noch klar beobachtet werden. Die beobachtete Wahrscheinlichkeitsverteilung des Emissionszeitpunkts nach der optischen Anregung des QP legt nahe, dass unter ausreichend schwacher Anregung Photonen einzeln von den SiGe QP emittiert werden. Ein unwiderlegbarer Beweis für dieses Emissionsverhalten konnte allerdings im Rahmen des Projekts nicht erbracht werden. Als Alternative zu SiGe QPs basierte Quellen quantenoptischer Strahlung wurden bichromatische Resonatoren ohne QDs auch zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren optimiert. Dabei werden über nicht-lineare Prozesse in Si aus einem Laserstahl, dessen Intensität für eine Resonanzwellenlänge im Resonator konzentriert wird, paarweise verschränkte Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Der Vorteil der Verwendung dieser Resonatoren im Vergleich zu bisher in der SOI Plattform dafür eingesetzten Quellen liegt in ihrer größeren Effizient und dem kleineren Platzbedarf in einem integrierten optischen Chip. Mittels Elektronenstrahllithographie und reaktivem Ionenätzen wurde ein optischer Chip mit Ein- und Ausgangswellenleiter sowie Gitterkoppler für Laser bzw. Photonenpaar hergestellt. Nur durch die Integration von Resonator und Wellenleiter konnte die notwendige mechanische Stabilität für reproduzierbare Experimente mit den Photonenpaaren erzielt werden. Für diese Art von Photonenquelle konnte stichhaltig nachgewiesen werden, dass die emittierten Photonenpaare Eigenschaften zeigen, die nicht klassisch, sondern nur quantenphysikalisch beschrieben werden können und dass sie daher z.B für Quantenkryptographie im Telekommunikationswellenlängenbereich eingesetzt werden können.