Stabiles Licht für Quanteninformationen

Einzelne Photonen – die Quantenteilchen des Lichts – sind in der Lage, Quanteninformationen zu übertragen. Physikern um Richard Warburton von der Universität Basel ist es nun gelungen, solche einzelnen Photonen mit nur einer „Farbe“ zu erzeugen, was sich für die Quantenkommunikation und für Quantencomputer nutzbar machen lässt. Dafür haben die Forscher die Wellenlänge der von einem Halbleiter ausgesandten Photonen aktiv stabilisiert und Störquellen im Halbleitermaterial ausgeglichen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review X“ veröffentlicht.

Bei Photonen kann die Quanteninformation beispielsweise in der Polarisation oder in der Phase des zugrundeliegenden Wellenpakets enthalten sein. Als mögliche Quelle für solche einzelnen Lichtteilchen gelten Halbleitermaterialien aus wenigen 100.000 Atomen, sogenannte Quantenpunkte. Diese verhalten sich wie ein Atom mit zwei Energieniveaus. Die „Farbe“ von Photonen aus Quantenpunkten ist jedoch nicht stabil: Die Wellenlänge und die Frequenz des Lichts schwanken zufällig und bleiben nicht bei einem festen Wert.

Die Grafik illustriert Versuchsanordnung und Messergebnis. Links ein Kasten, der den Quantenpunkt darstellt. Von ihm geht ein gepunkteter Strahl einzelner Photonen aus, die von einem Detektor registriert werden. Unten ist der Quantenpunkt an einen stabilisierten Laser gekoppelt. Das Diagramm rechts zeigt die Frequenzschwankungen mit und ohne Regelungssystem. Mit klassischer Regelung wird die Schwankungsbreite geringer.
Regelung der Photonenfrequenz

Warburton und seine Kollegen haben herausgefunden, dass die Störquellen durch elektrische Ladungen verursacht werden, die sich in der Umgebung des Quantenpunktes bewegen. Um das unerwünschte „Rauschen“ dieser Ladungen zu unterdrücken, haben die Forscher ein System entwickelt, das Quantenmechanik und klassische Physik miteinander verbindet. Dabei wird ein einzelner Quantenpunkt mit einem stabilisierten Laser gekoppelt, sodass die Schwankungen des elektrischen Feldes mittels Regelung ausgeglichen werden können.

Auf diese Weise konnte die Forschungsgruppe einen nahezu perfekten Strom von gleichfarbigen Photonen erzeugen. Die neuen Erkenntnisse könnten nicht nur zur Entwicklung stabiler Einzelphotonenquellen beitragen, sondern auch dabei helfen, andere halbleiterbasierte Quantensysteme wie etwa sogenannte Spin-Qubits zu verbessern.