Quantenphotonik auf einem Chip für komplexe Quantennetzwerke

Photonen, die Elementarteilchen des Lichts, sind wesentliche Ressourcen für aufkommende Quantentechnologienwie QuantenkommunikationundQuantenberechnung. Um Operationen mit Photonen durchführen zu können, müssen Schaltkreise für Licht ähnlich wie bei elektronischen Schaltkreisen aufgebaut werden. Diese Schaltungen erfordern Quellen, die in der Lage sind, eine genau definierte Anzahl von Photonen zu emittieren, Wellenleitern, in denen sich Photonen ausbreiten können, Elemente, die eine Wechselwirkung zwischen verschiedenen Photonen im Schaltkreis ermöglichen, und hochempfindliche Detektoren. Unter den verschiedenen Strategien, um solche "quantenphotonischen Schaltkreise" zu erhalten, sind Halbleiterplattformen aufgrund der gut entwickelten Fertigungstechnologien und der Möglichkeit, hochwertige Photonenquellen in die Schaltung zu integrieren, besonders attraktiv. Die natürliche Wahl für die Halbleiterquelle stellen sogenannte Quantenpunkte dar, bei denen es sich um nanoskopische Strukturen handelt, die im Gegensatz zu klassischen Quellen Einzelphotonen "on demand" emittieren können. Trotz des Potenzials, mit dieser Architektur komplexe Netzwerke aufzubauen, ist der Fortschritt auf Demonstrationen mit nur einem Quantenpunkt beschränkt. Der Grund ist, dass sich verschiedene Quantenpunkte in einem Chip normalerweise an nicht optimalen Positionen befinden und Photonen mit unterschiedlichen Farben und unterschiedlichen Eigenschaften emittieren. Dies behindert die effiziente Wechselwirkung zwischen verschiedenen Photonen und schränkt den Anwendungsbereich stark ein. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Nutzung einer innovativen Plattform, die den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Quantenpunktquellen in einer photonischen Schaltung ermöglicht. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir komplementäres Know-how der Universitäten Stuttgart und Linz kombinieren, um photonische Chips aufzubauen, bei denen Farbe und Eigenschaften der von verschiedenen Quantenpunkten emittierten Photonen durch mechanische Deformation präzise gesteuert werden können. Letzteres wird wiederum erreicht, indem die photonischen Schaltkreise auf einer patentierten piezoelektrischen Plattform platziert werden, die angelegte Spannungen in steuerbare Deformationen umwandelt. Anders als in der Literatur vorgestellten Ansätzen werden wir Quantenpunkte genau an den Eingängen der photonischen Schaltkreise platzieren und die Emissionseigenschaften unabhängiger Quellen durch unsere neue piezoelektrische Plattform präzise steuern. Um die Erfolgschancenzumaximieren,werdenwir anzweiverschiedenen Halbleitermaterialsystemen arbeiten. Auf diese Weise werden wir in der Lage sein, die bisher höchsten Photonwechselwirkungen zu demonstrieren und den Weg zu komplexen Netzwerken ebnen.

Photonen, die Elementarteilchen des Lichts, stellen wesentliche Ressourcen für neue Quantentechnologien wie Quantenkommunikation und Quantenberechnung dar. Um Operationen mit Photonen durchführen zu können, ist es notwendig, Schaltkreise für Licht aufzubauen, ähnlich wie elektronische Schaltkreise. Diese Schaltkreise erfordern Quellen, die in der Lage sind, eine genau definierte Anzahl von Photonen zu emittieren, Wellenleiter, in denen sich Photonen ausbreiten können, Elemente, die die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Photonen im Schaltkreis ermöglichen, und hochempfindliche Detektoren. Unter den verschiedenen Strategien zur Herstellung solcher "quantenphotonischen Schaltkreise" sind Halbleiterplattformen aufgrund der gut entwickelten Fertigungstechnologien und der Möglichkeit, hochwertige Photonenquellen in den Schaltkreis zu integrieren, besonders attraktiv. Die natürliche Wahl für die Halbleiterquelle sind sogenannte Quantenpunkte, das sind nanoskopische Strukturen, die im Gegensatz zu klassischen Quellen einzelne Photonen "auf Knopfdruck" emittieren können. Trotz des Potenzials, mit dieser Architektur komplexe Netzwerke aufzubauen, beschränkt sich der Fortschritt auf Schaltkreise mit nur einem Quantenpunkt. Der Grund dafür ist, dass verschiedene Quantenpunkte in einem Chip meist an nicht optimalen Positionen liegen und Photonen mit unterschiedlichen Farben und mit nicht idealen Eigenschaften aussenden. Dies behindert die effiziente Wechselwirkung zwischen verschiedenen Photonen und schränkt das Spektrum möglicher Anwendungen erheblich ein. In diesem Projekt haben wir wichtige Schritte zur Entwicklung einer innovativen Plattform erreicht, die den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Quantenpunktquellen in einem photonischen Schaltkreis ermöglicht. Zu diesem Zweck haben wir komplementäres Know-how der Universitäten Stuttgart und Linz gebündelt, um photonische Chips aufzubauen, bei denen die Farbe und Eigenschaften der von verschiedenen Quantenpunkten emittierten Photonen durch mechanische Verformung präzise gesteuert werden können. Letzteres wiederum wurde erreicht, indem die photonischen Schaltkreise auf einer patentierten piezoelektrischen Plattform platziert wurden, die angelegte Spannungen in kontrollierbare Verformungen umwandelt. Im Rahmen dieses Projekts haben wir auch erstmals Gallium-Arsenid-Quantenpunkte in photonische Wellenleiter integriert. Diese Strukturen sind viel homogener und, wenn sie in Diodenstrukturen eingebettet sind, rauscharmer als herkömmliche Quantenpunkte, die in diesem Projekt hauptsächlich verwendet werden. Wir planen daher nun, unsere Arbeit fortzusetzen und uns auf diese Materialplattform zu konzentrieren, die in hochentwickelte piezoelektrische Aktoren integriert ist, die von der Fachhochschule Vorarlberg entwickelt wurden, mit dem Ziel, hochgenaue Operationen unter Verwendung von Photonen zu demonstrieren, die von separaten Quantenpunkten emittiert werden.