Diamanten als Lichtquelle für Quantenkommunikation

Heutige Kommunikationstechnologie basiert darauf, dass Lichtpulse, die aus mehreren gebündelten Lichtteilchen bestehen, durch Glasfaserkabel geleitet werden und dabei Informationen übertragen. Wissenschaftler arbeiten daran, diese Lichtbündel durch einzelne Lichtteilchen zu ersetzen, denn die würden eine abhörsichere Quantenkommunikation ermöglichen. Forschern haben nun eine neue Lichtquelle für eben solche einzelnen Lichtteilchen entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Team um Christoph Becher der Universität des Saarlandes nutzt als Lichtquelle winzige Diamanten mit Durchmessern unter hundert Nanometern, das entspricht etwa einem Tausendstel der Dicke eines Haares. „Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen. Dieser besteht aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Er wird auch Farbzentrum genannt.“ erklärt Becher. Wird der Diamant dann mit einem Laser bestrahlt, so beginnt das Farbzentrum Licht in Form von einzelnen Photonen auszusenden, genauso wie ein angeregtes Atom, wenn es in einen tieferen Energiezustand fällt. „Dieses Licht verhält sich so, als ob es von einem einzelnen Atom stammen würde und besteht aus der gewünschten Abfolge einzelner Lichtteilchen“, sagt Becher weiter.

Optischer Aufbau mit zwei Spiegeln durch die Laserlicht gestrahlt wird.
Aufbau der Lichtquelle

Solche Diamanten mit Fehlstellen werden von vielen Forschergruppen genutzt und untersucht, das Team hat diese Lichtquelle aber nun weiterentwickelt, sodass die Photonen mit großer Zuverlässigkeit direkt in die Glasfaserkabel geleitet werden und ihre Eigenschaften sehr genau bestimmt werden können. Der Nanodiamant wird dafür zwischen zwei Spiegeln platziert, die als eine Art Lichtspeicher fungieren. Die ausgesandten Photonen werden bis zu tausendmal zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert bevor sie durch einen der beiden Spiegel entweichen können. „Die intensive Wechselwirkung des gespeicherten Lichts mit dem Farbzentrum im Nanodiamanten führt dazu, dass einzelne Lichtteilchen mit genau definierten Eigenschaften und mit hoher Effizienz ausgesandt werden. In gewissen Grenzen kann man sich dabei auch die Farbe des Lichtes aussuchen“, berichtet Becher. Je kleiner die Spiegel sind und umso geringer ihr Abstand, desto intensiver ist die Wechselwirkung im Lichtspeicher und desto besser lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Lichtteilchen kontrollieren.

Das Besondere beim Versuchsaufbau der Physiker ist die Anordnung der Spiegel: Einer der Spiegel sitzt direkt auf der Spitze einer haardünnen Glasfaser. „Die einzelnen Lichtteilchen werden auf diese Weise direkt in eine Faser ausgesandt – also dorthin, wo man sie für die Datenübertragung gerne haben möchte“, erklärt Roland Albrecht, Erstautor der Studie. „Zudem liegt der Vorteil unseres Aufbaus darin, dass er bei Raumtemperatur und ohne großen Apparateaufwand funktioniert. Er bietet somit Potential, ihn praktisch einzusetzen.“

Das nächste Ziel der Forscher ist es, die Spiegel weiter zu verkleinern und die gesamte Apparatur auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes bei minus 273,15 Grad abzukühlen. Dann würden sich die Eigenschaften des Systems so verändern, dass Quanteninformation zwischen dem Farbzentrum im Diamanten und den einzelnen Lichtteilchen ausgetauscht werden kann, erklärt das Team. Somit ließe sich eine Schnittstelle für einen zukünftigen Quantencomputer oder die Übertragung von Quanteninformation über lange Strecken einrichten.