Quantenphotonik auf einem einzelnen Chip

Wissenschaftler der Universität Paderborn demonstrieren Bündelung zweier einzelner Photonen

Leibniz-Preisträgerin Christine Silberhorn (Foto: uni-paderborn.de)

Paderborn (pte016/14.01.2019/13:56) – Forschern der Universität Paderborn http://uni-paderborn.de ist die Bündelung zweier einzelner Photonen – auch bekannt als
Hong-Ou-Mandel-Experiment – gelungen. Genauer gesagt, haben die Experten
Schlüsselbausteine der Quantenphotonik auf einem einzelnen Chip
integriert. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger
Quantentechnologien, die beispielsweise zur Synchronisation in der
Quantenkommunikation, zum Aufbau von Quantensimulatoren oder für
quantenbasierte Hochpräzisionsmessungen benötigt werden.

Neue Anwendungsfelder

"In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über
optische Glasfasern der etablierte Standard, um die benötigten hohen
Datentransferraten zu erzielen", erklärt Forscherin Polina R. Sharapova.
Kurze Lichtpulse seien dabei die Informationsträger. Solch ein
Lichtpuls bestehe aus einer großen Anzahl von Photonen, der kleinsten
Lichteinheit.

"Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen
offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den Quantencharakter
der Photonen entstehen", sagt die Wissenschaftlerin. Daraus ergäben sich
perspektivisch neue Anwendungen, zum Beispiel für die absolut
abhörsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer
(pressetext berichtete: http://pte.com/news/20181213014 ).

Basis für neue Technologien

"Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine
Richtung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen,
können sie sich entweder zusammenschließen, um dieselbe Richtung zu
wählen oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler
verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung
treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die
Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich
diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren", so
Silberhorn.

Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich laut der Expertin
signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von
Photonen sei ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das
Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in
Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt
wird.

Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien
haben die Forscher gezeigt, dass die Implementierung eines solchen
quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip möglich ist. Der
Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches
Netzwerk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden und
programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten
Strahlteiler.

Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die
es ermöglichen, eine Zeitverzögerung zwischen den Photonen einzustellen.
Zu den Auswirkungen der in "Science Advances" publizierten Arbeit sagt
Silberhorn: "Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in
einen einzigen Chip ist ein großer Schritt zur Miniaturisierung. Er
ebnet den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien."