Identische Photonen auf Knopfdruck

Optische Quantencomputer und -netzwerke benötigen für den Datenaustausch spezielle Paare von Lichtteilchen, die in sämtlichen ihrer physikalischen Eigenschaften übereinstimmen. Nur so lassen sich etwa Quantenspeicher über weite Entfernungen hinweg miteinander verschränken. In einem Experiment, das auf einem Halbleiter-Quantenpunkt basiert, haben Physiker um Markus Müller von der Universität Stuttgart nun gezeigt, wie man solche identischen und verschränkten Photonenpaare quasi auf Knopfdruck erzeugen kann. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht.

Ein Wellenpaket trifft, von unten links kommend, auf einen Lichtpunkt in einer quadratischen Fläche. Von dort gehen nach rechts und links oben zwei weitere Wellenpakete aus. Sie bestehen jeweils aus zwei Wellenmustern, die einander senkrecht überlagert sind. Alle Wellenpakete haben gemeinsam, dass sie in ihrer Mitte besonders hohe Wellen aufweisen, die zu den beiden Rändern hin abflachen.
Optische Anregung eines Quantenpunktes

Quantenpunkte sind künstliche Halbleiterstrukturen, die aus einigen zehntausend Atomen hergestellt werden, sich jedoch wie Atome mit einzelnen, voneinander getrennten Energieniveaus verhalten. Mit kurzen Laserpulsen gelang es Müller und seinen Kollegen, einen auf Galliumarsenid gewachsenen Quantenpunkt aus Indium und Gallium in eine sogenannte resonante Anregung zu versetzen, bei der die Energie des eingestrahlten Laserlichtes der Differenz bestimmter Energieniveaus im Quantenpunkt entspricht. Der Quantenpunkt sandte daraufhin genau zwei miteinander verschränkte Lichtteilchen aus. Darüber hinaus konnten die Forscher zeigen, dass die resonant erzeugten Photonenpaare zu einem hohen Grad ununterscheidbar sind: In dem vom Quantenpunkt emittierten Licht fanden sich zu 86 Prozent identische Photonenpaare.

In bisherigen Arbeiten wurden solche Halbleiter-Quantenpunkte elektrisch oder nichtresonant optisch angeregt, damit sie verschränkte Photonenpaare liefern. Diese Verfahren bringen jedoch einige Nachteile mit sich. So werden nicht durch jeden Anregungspuls zwei Photonen emittiert. Vielmehr kommt es auch vor, dass nur ein einzelnes Photon oder mehr als zwei Lichtteilchen freigesetzt werden. Überdies werden in der Umgebung des Quantenpunktes viele Ladungsträger erzeugt, die mit den Ladungen innerhalb des Quantenpunktes wechselwirken. Diese Wechselwirkungen führen dazu, dass die ausgesandten Photonen nicht mehr absolut identisch sind, sondern sich leicht voneinander unterscheiden. Die Folge sind eher zufällige Ergebnisse hinsichtlich der Zahl der verschränkten Photonenpaare und Fehler in den Quantenalgorithmen.

Bei verschränkten Photonenpaaren ist die Polarisation – also die Richtung ihrer elektromagnetischen Schwingung – zunächst komplett unbestimmt. Erst die gezielte Messung an einem der beiden Photonen erlaubt eine direkte Aussage über die Polarisation des jeweils anderen. Dabei spielt es keine Rolle, wie weit die beiden Photonen im Raum voneinander getrennt sind. Diese Verschränkung der Lichtteilchen wird in den Quantentechnologien, zum Beispiel für die abhörsichere Kommunikation, genutzt. Die neue Photonenquelle soll nun unter anderem für Untersuchungen zur Quantenteleportation eingesetzt werden.