Neue Technik verbessert Erzeugung von Mehrphotonenzuständen

Quantenpunkte – Halbleiter-Nanostrukturen, die auf Abruf einzelne Photonen emittieren können – gelten als eine der vielversprechendsten Quellen für photonische Quantencomputer. Allerdings unterscheidet sich jeder Quantenpunkt geringfügig von den anderen und kann Lichtteilchen mit einer etwas anderen Farbe emittieren. Das bedeutet, dass zur Erzeugung Mehrphotonenzuständen nicht mehrere Quantenpunkte verwenden werden können. In der Regel nutzen Forscher:innen einen einzelnen Quantenpunkt und bringen die Lichtteilchen mithilfe eines schnellen elektrooptischen Modulators in verschiedene räumliche und zeitliche Zustände. Hier liegt nun die technologische Herausforderung: Schnellere elektrooptische Modulatoren sind teuer und erfordern oft eine sehr individuelle technische Anpassung. Hinzu kommt, dass sie möglicherweise nicht sehr effizient sind, was zu unerwünschten Verlusten im System führt.

Das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Vikas Remesh von der Photonik-Gruppe am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck, an dem auch Forscher:innen der Universität Cambridge, der Johannes-Kepler-Universität Linz und anderer Institutionen beteiligt sind, hat nun eine elegante Lösung präsentiert, die diese Einschränkungen umgeht. Ihr Ansatz nutzt eine rein optische Methode, die stimulierte Zwei-Photonen-Anregung, um Photonenströme in verschiedenen Polarisationszuständen direkt aus einem Quantenpunkt zu erzeugen, ohne dass aktive Schaltkomponenten erforderlich sind. Das Team demonstrierte seine Technik, indem es hochwertige Zwei-Photonen-Zustände mit hervorragenden Einzelphotonen-Eigenschaften erzeugte.

„Die Methode funktioniert, indem zunächst der Quantenpunkt mit präzise getakteten Laserpulsen angeregt wird, um einen Biexziton-Zustand zu erzeugen, gefolgt von polarisationsgesteuerten Stimulationsimpulsen, die deterministisch die Photonenemission in der gewünschten Polarisation auslösen“, erklären Yusuf Karli und Iker Avila Arenas, die Erstautoren der Studie. „Es war eine fantastische Erfahrung für mich, für meine Masterarbeit in der Photonik-Gruppe zu arbeiten“, erinnert sich Iker Avila Arenas, der Teil der Kohorte 2022-2024 des Erasmus-Mundus-Joint-Master-Programms „Photonics for Security Reliability and Safety“ war und sechs Monate in Innsbruck verbrachte.

„Was diesen Ansatz besonders elegant macht, ist die Verlagerung von der Komplexität teurer, verlustbehafteter elektronischer Komponenten auf die optische Anregungsstufe. Dies ist ein bedeutender Fortschritt, um Quantenpunktquellen für reale Anwendungen praktischer zu machen“, erklärt Vikas Remesh, der die Studie geleitet hat. Nun wollen die Forscher die Technik erweitern, um Photonen mit beliebigen linearen Polarisationszuständen unter Verwendung speziell entwickelter Quantenpunkte zu erzeugen.

„Die Studie hat unmittelbare Anwendungsmöglichkeiten in sicheren Quantenschlüsselverteilungsprotokollen, bei denen mehrere unabhängige Photonenströme eine gleichzeitige sichere Kommunikation mit verschiedenen Parteien ermöglichen, sowie in Mehrphotonen-Interferenzexperimenten, die für die Überprüfung selbst der Grundprinzipien der Quantenmechanik von großer Bedeutung sind“, erklärt Gregor Weihs, Leiter der Photonik-Forschungsgruppe in Innsbruck.

Die in der Fachzeitschrift npj Quantum Information veröffentlichte Forschungsarbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von Expert:innen aus den Bereichen Quantenoptik, Halbleiterphysik und Photonik. Die Arbeit wurde vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG und den Forschungsprogrammen der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Publikation: Passive Demultiplexed Two-photon State Generation from a Quantum Dot. Yusuf Karli, Iker Avila Arenas, Christian Schimpf, Ailton Jose Garcia Junior, Santanu Manna, Florian Kappe, René Schwarz, Gabriel Undeutsch, Maximilian Aigner, Melina Peter, Saimon F Covre da Silva, Armando Rastelli, Gregor Weihs, and Vikas Remesh. npj Quantum Information 2025 DOI: 10.1038/s41534-025-01083-0