Wenn Photonen zu bunt werden: Um zuverlässig Informationen im Quantenbereich übermitteln zu können, Quantenteilchen von genau definierter Wellenlänge nötig. Bislang existierende Photonenquellen produzieren jedoch nur Teilchen mit unterschiedlicher Farbe bzw. Wellenlänge. Physikern aus der Schweiz und aus Deutschland ist es gelungen, die Wellenlänge und damit die Farbe von Photonen aus einer solchen Quelle zu stabilisieren. Dieses Ergebnis veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.
Licht besteht aus Quantenteilchen, den Photonen. Mit einem einzelnen Photon ist es möglich, Quanteninformationen zu übertragen. Diese Information befindet sich beispielsweise in der Polarisation oder in der Phase des Photons und könnte für Quantenkommunikation und Quantencomputerfunktionen genutzt werden. Eine Grundvoraussetzung für diese Anwendungen sind Quellen, die einzelne Photonen aussenden können.
Quantenpunkte produzieren schwankende Photonen
Halbleitermaterialien aus wenigen 100.000 Atomen, sogenannte Quantenpunkte, sind eines der vielversprechendsten Systeme für solche Photonenquellen. Ein Hauptproblem ist jedoch die „Farbe“ bzw. die Wellenlänge der von Quantenpunkten erzeugten Photonen: Diese ändert sich zufällig und ließ sich bislang nicht reproduzierbar erzeugen. Für zuverlässige Quantenkommunikation müssten die Photonen jedoch zuverlässig immer dieselbe Wellenlänge haben.
Die Ursache für diese schwankenden Wellenlängen der ausgesandten Photonen liegt in Störquellen in der Umgebung des Quantenpunkts. Diese verursachen wandernde elektrische Ladungen innerhalb des Halbleiters, die wiederum unterschiedlich starken Einfluss auf die Wellenlänge des Photons haben. Um dieses „Rauschen“ zu unterdrücken, haben die Forscher um Richard Warburton an der Universität Basel ein einen einzelnen Quantenpunkt mit einem stabilisierten Laser gekoppelt. Auf diese Weise entsteht ein so genanntes aktives, quantenmechanisch-klassisches Hybridsystem.
Dieser Stabilisierungsmechanismus misst die optische Absorption des Quantenpunktes, die extrem anfällig für elektrische Spannungsschwankungen ist. Anhand dieser Messwerte reguliert das System aktiv mit dem entgegengesetzten Effekt das elektrische Feld in der Umgebung des Quantenpunkts nach. Dadurch werden die Schwankungen des elektrischen Feldes unterdrückt. So ist es möglich, Photonen mit einer einzelnen, festen Wellenlänge hervorzubringen.
Strom von gleichfarbigen Photonen
Die Idee, Schwankungen eines Systems zu messen und ausgleichend gegenzusteuern, ist an sich nicht neu. Das Besondere dabei ist, dass nun erstmals ein Quantensystem mit Hilfe eines solchen klassischen Regelmechanismus technisch nutzbar gemacht werden konnte. Auf diese Weise konnte die Forschungsgruppe einen nahezu perfekten Strom von gleichfarbigen Photonen erzeugen.
Mit den effektiv unterdrückten Ladungsschwankungen rücken diese Ergebnisse das Ziel einer stabilen Einzelphotonenquelle deutlich näher. Sie verbessern ebenfalls das Verständnis und die Herstellung von halbleiterbasierenden Quantensystemen wie den verwendeten Quantenpunkten.
(Physical Review X, 2013; doi: 10.1103/PhysRevX.3.041006)
(Universität Basel, 04.11.2013 – AKR)
