Quantenpunkte als Lichtschalter

Gleich zwei amerikanischen Forschergruppen gelang es unabhängig voneinander, Quantenpunkte als Lichtschalter zu benutzen. Damit liegt im Prinzip die für künftige Quantencomputer nötige Hardware vor.

Stanford (USA)/Pasadena (USA) - Über ihre Ergebnisse, die für quantenphysikalische Experimente und für skalierbare Quanteninformationsmodule von Bedeutung sind, berichten die beiden Teams in der Fachzeitschrift "Nature".

"Die Demonstration der von einem Quantenpunkt kontrollierten Reflektivität hat weitreichende Folgen für Quanteninformationsprozesse", schreiben Dirk Englund und seine Kollegen von der Stanford University. Vereinfacht entspricht ihr Versuchsaufbau einem winzigen Quantenschalter, der das Verhalten einzelner Lichtteilchen regelt. Dazu positionierten sie einen Quantenpunkt aus Indiumarsenid in einen photonischen Kristall aus Galliumarsenid. Den Quantenpunkt regten die Forscher mit einem Laser bei 780 Nanometer Wellenlänge zum Leuchten an. Die dabei ausgesendeten Photonen können nun je nach den gewählten Randbedingungen in den photonischen Kristall einkoppeln oder sie werden von diesem reflektiert.

Für diesen Schaltprozess ist der Quantenpunkt verantwortlich. Dazu wird das gesamte Modul mit einem zweiten Laser (Ti-Saphir, 905 nm) aufgeheizt, wodurch sich die Wellenlänge der ausgesendeten Photonen geringfügig verändert. Die Temperatur variiert dabei zwischen minus 240 und minus 234 Grad Celsius. An exakt einem Punkt, der so genannten Resonanz des photonischen Kristalls bei etwa 927,35 Nanometer, steigt die Reflexion der Lichtteilchen deutlich von unter 10 auf über 70 Prozent an. Ein ähnliches Verhalten beobachteten Oskar Painter und Kollegen am California Institute of Technology in Pasadena. Als Material für ihren schaltenden Quantenpunkt wählten sie ebenfalls Indiumarsenid innerhalb eines photonischen Kristalls aus Galliumarsenid. Allerdings analysierten sie das schaltbare Reflexionsverhalten für Photonen im Infrarot-Bereich bei etwa 1295 Nanometern.

Beide Experimente zeigen, dass in photonische Kristalle eingelagerte Quantendots die Transmission und Reflexion von Lichtteilchen kontrollieren können. Die Forscher rechnen damit, dass mit diesen Methoden nun die nicht-klassischen Zustände von einzelnen Lichtteilchen besser untersucht werden können. Da man im Prinzip Quantendots und photonische Kristalle in großer Anzahl herstellen und koppeln kann, hoffen sie sogar, dass sich damit miteinander verknüpfte Schaltelemente für einen zukünftigen Quantencomputer verwirklichen lassen.