Hyper-Verschränkung aus ultra-hellen Photonenpaar-Quellen (HYPER-U-P-S)

Die Entwicklung von Quantennetzwerken für die Realisierung einer langreichweitigen, abhörsicheren Kommunikation mittels Quantenschlüsselübertragung ist sowohl eine der der zentralen Herausforderungen im Feld der Quanten- und Informationstechnologie. Eine zentrale Herausforderung ist der Entwurf und die Implementierung einer kompatiblen Lichtquelle für die Quanteninformationsübetragung: In der Quanteninformationsübertragung muss die Information in ein einzelnes Licht-quant, übertragen werden. Jedoch ist für die Implementierung eines Quantennetzwerkes, welches aus einer Vielzahl von Sender- und Speicherstationen besteht, eine weitere Resource unerlässlich: Die Quantenverschränkung. Ein attraktiver Ansatz hierbei beruht auf der Implementierung von Photonenpaarquellen, welche quantenmechanisch verschränkte Photonen an versenden. Mittels Quanteninterferenz und Teleportation kann die Verschränkung langreichweitig aufrechterhalten werden und ein Quantennetzwerk etabliert werden. Das Projekt HYPER U-P-S adressiert die Grundherausforderung, eine halbleiterbasierte Quellen einzelner Photonen-Paare zur Verfügung zu stellen, deren Emission deterministisch, hochgradig verschränkt, ununterscheidbar und hocheffizient ist.

Im Projekt "Hyper-Verschränkung aus ultrahellen Photonenpaarquellen" (engl. Hyper U-P-S), das 2017 im QuantERA Fördernetzwerk zusammen mit weiteren europäischen Universitäten initiiert wurde, befassten sich die Forscher:innen mit der Erhöhung der Ausbeute von verschränkten Quantenzuständen von Paaren von Lichtteilchen (Photonen). Wenn zwei Photonen miteinander verschränkt sind, bedeutet das, dass sie jenseits des klassischen Limits miteinander korreliert sind, also zum Beispiel ihre Schwingungsrichtung (Polarisation) immer gleich (oder gegengleich) ist, egal in welchem Bezugssystem sie betrachtet werden. Diese Verschränkung von Teilchen kann in neuartigen Technologien eingesetzt werden, sodass ein Quantennetzwerk, das unter anderem der abhörsicheren Übertragung und dem Austausch von Quanteninformationen dient, aufzusetzen. Zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare werden kleine Ansammlungen von Halbleiteratomen, sogenannte Quantenpunkte in Halbleiterchips verwendet. Nicht alle Eigenschaften solcher Quantenpunkte sind geeignet, um eine Netzwerkarchitektur zu schaffen. So gehen nativ viele Photonenpaare im Erzeugungsmaterial selbst verloren, während zusätzlich die Wellenlänge der Photonen und der Verschränkungsgrad von Quantenpunkt zu Quantenpunkt variiert und dies die Kompatibilität zueinander in einem Quantennetzwerk erschwert. JKU Forscher:innen beschäftigen sich daher mit dem Wachstum, sowie der Integration von Quantenpunkten aus Galliumarsenid mit optischen Resonatoren zur erhöhten Lichtausbeute, sowie mit der Verbindung mit piezoelektrischen Aktuatoren, um die Wellenlänge abzugleichen und den Verschränkungsgrad zu erhöhen. Als erster Schritt wurden Quantenpunkten in einer planaren Antenne integriert, womit bereits eine Erhöhung der Ausbeute von 1 % auf 20 % realisiert wurde. Um die Auskopplungseffizienz von emittiertem Licht noch weiter zu erhöhen, verlangen andere optische Mikrostrukturen allerdings eine genaue Platzierung des Quantenpunktes. Dazu wurde ein Fluoreszenzmikroskop gebaut, womit die Position von Quantenpunkten extrahiert werden kann. Somit können Strukturen, in diesem Fall eine sogenannte kreisförmige "Bullseye"-Struktur, passgenau um den Quantenpunkt maßgeschneidert und in einem Plasmaätzverfahren in den Halbleiter übertragen werden. Der Chip wurde mit einem piezoelektrischen Aktuator verbunden was eine Feineinstellung der Wellenlänge von Quantenpunkten, sowie eine Erhöhung des Grads der Verschränkung von Photonenpaaren auf 96 % ermöglicht. Die Ausbeute an Photonen konnte mit der "Bullseye"-Struktur auf 77 % erhöht werden. Im Zuge dieses Projektes wurden auch Mechanismen untersucht, die eine Reduktion der Verschränkung zur Folge haben. So konnte ein Laser-induzierter Effekt bei der Anregung des Quantenpunktes beobachtet werden, der interne Energielevel verschiebt und besonders bei langen Laserpulsen schlagend wird. Auch ein Vergleich zu Quantenpunkten aus Indiumgalliumarsenid wurde durchgeführt, der Indizien bereitstellt, dass der Atomkernspin von Indiumatomen im Quantenpunkt den Grad der Verschränkung reduzieren kann. Die Erforschung verschränkungsreduzierender Mechanismen in Quantenpunkten die mit optischen Mikrostrukturen und piezoelektrischen Aktuatoren kombiniert sind, hilft uns die Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren besser zu verstehen und Bauteile für die Realisierung von neuartigen Quantennetzwerken zur Verfügung zu stellen.