Leistungsfähige verschränkte Zustände aus Quantenpunkten

Die Quantenmechanik eröffnet neue Konzepte und revolutioniert dadurch gerade jetzt unsere Kommunikationstechnologie. Grundlage für diese Revolution sind verschränkte Zustände, die kein klassisches Analogon besitzen. Daher ist die leistungsfähige Erzeugung von verschränkten Zuständen essentiell für dieses Bemühen und die Suche nach einer idealen Quelle von verschränkten Photonen läuft mit Hochdruck. Ziel unseres Projektes ist es Halbleiter- Quantenpunkte als Quelle für verschränkte Photonen zu fördern und etablieren. Als neue Bausteine bringen wir dunkle Zustände ins Spiel, welche für eine kontrollierte Anregung optisch aktiver Zustände im Quantenpunkt genutzt werden können und damit eine deterministische Erzeugung von Zeit-verschränkten Photonenpaaren ermöglichen. Damit werden wir eine deutlich leistungsfähigere Quelle von verschränkten Photonen erzielen als es bisher möglich war. Wir werden ebenfalls die Herstellung von Mehr-Zustands- und Mehr-Photonen- Verschränkung mithilfe von Quantenpunkten und Quantenpunkt-Molekülen untersuchen. Diese Ziele werden wir durch enge Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment in einem gemeinsamen Projekt erreichen. Damit werden wir die Funktionalität von Quantenpunkten als Quellen verschränkter Photonen auf eine höhere Stufe bringen und einen deutlichen Schritt in Richtung der Realisierung des Quanten-Repeaters, dem Herzstück der Quantenkommunikation, machen.

Die Quantenphysik eröffnet gegenüber klassischen Technologien neue Möglichkeiten und revolutioniert dadurch gerade jetzt unsere Kommunikationstechnologie. Grundlage für diese Revolution sind verschränkte Zustände, die kein klassisches Analogon besitzen. Daher ist die leistungsfähige Erzeugung von verschränkten Zuständen essentiell für dieses Bemühen und die Suche nach idealen Quellen von verschränkten Photonenpaaren läuft mit Hochdruck. Ziel unseres Projektes war es Halbleiter-Quantenpunkte als Quelle für verschränkte Photonenpaare zu entwickeln. Ein Quantenpunkt ist eine wenig Nanometer große Halbleiterstruktur, die Elektronen fängt und sich wie ein Atom verhält. Der wesentliche Unterschied zu herkömmlichen Quanten-Lichtquellen ist, das ein Quantenpunkt nur jeweils ein Photonenpaar pro Anregung aussendet. Dies wurde für die Verschränkung in der Polarisation (Schwingungsrichtung) der Photonen schon gezeigt, allerdings ist die Polarisation in Glasfasern nicht stabil. Unser Projekt zielte daher darauf ab, die Verschränkung in der Zeit zu erzeugen. Dafür brauchten wir als neue Bausteine sogenannte dunkle Zustände der Quantenpunkte, welche für eine kontrollierte Anregung optisch aktiver Zustände im Quantenpunkt genutzt werden können und damit eine deterministische Erzeugung von Zeit-verschränkten Photonenpaaren ermöglichen. Zum Auffinden und Kontrollieren dieser dunklen Zustände haben wir in enger Zusammenarbeit mit dem Theorieteam im Projekt völlig neuartige und bahnbrechende Methoden entwickelt, die Quantenpunkte mit Laserlicht anzuregen. Diese Methoden basieren auf speziell strukturierten Laserpulsen, welche es ermöglichen, dass man auch bei Fluktuationen von Laserleistung und wellenlänge trotzdem eine sichere Anregung erreicht. Schließlich waren wir auch erfolgreich bei der Anregung der dunklen Zustände und konnten einen Quantenpunkt gezielt in den dunklen Zustand und wieder zurück bringen. Während wir die Zeit-Verschränkung bisher nur eingeschränkt zeigen konnten, stehen uns jetzt mit den neuen Anregungsmethoden alle Türen dafür offen. Damit werden wir die Funktionalität von Quantenpunkten als Quellen verschränkter Photonen auf eine höhere Stufe bringen und einen deutlichen Schritt in Richtung der Realisierung des Quanten-Repeaters machen, dem Herzstück jedes Quantenkommunikationsnetzwerks der Zukunft.