Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür Quantenpunkte – winzige Halbleiterkristalle, die in Chip-Bausteine integriert werden können. Mit Laserlicht kann man den Quantenpunkt anregen und so ein Einzelphoton erzeugen. Dies ist jedoch knifflig: Wenn das Laserlicht die gleiche Wellenlänge (Farbe) wie das erzeugte Einzelphoton hat, ist eine komplizierte Filtertechnik nötig. Dabei gehen mindestens die Hälfte der erzeugten Photonen wieder verloren.
Um dieses Problem zu überwinden, haben theoretische Physikerinnen und Physiker im vergangenen Jahr eine neue Methode vorgeschlagen: das Swing-UP of quantum EmitteR population (SUPER)-Schema. An den theoretischen Überlegungen war Dr. Doris Reiter federführend beteiligt. Reiter leitet seit April 2022 eine eigene Arbeitsgruppe im Bereich Theorie der kondensierten Materie an der Fakultät Physik der TU Dortmund. Ihr Team beschäftigt sich damit, Quantenphänomene auf kleinsten Skalen zu verstehen und somit neuartige Quantentechnologien nutzbar zu machen. Die Forschenden nutzen dabei unter anderem auch numerische Simulationen.
Bereits Ende 2021, als sie noch an der Westfälische Wilhelms-Universität Münster tätig war, hatte Reiter als Leiterin einer Studie in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Bayreuth die neue Methode vorgeschlagen, um Einzelphotonen zu erzeugen. Jetzt konnte sie diese in Kooperation mit experimentellen Physik-Forschenden aus Innsbruck und Linz auch im Labor umsetzen. Doris Reiter erklärt: "Das SUPER-Schema nutzt zwei rot-verstimmte Laserpulse, also solche mit geringerer Energie als der Quantenpunkt-Übergang, um Einzelphotonen zu erzeugen." So wird das Filtern überflüssig und theoretisch können doppelt so viele Einzelphotonen erzeugen werden.
Um das Experiment zu realisieren, mussten die Forschenden also zwei verschiedene Laserpulse erzeugen. Das Team der Universität Innsbruck hat diese zwei Laserpulse aus einem Puls hergestellt und dafür ein spezielles Bauteil, einen räumlichen Lichtmodulator, benutzt. Die für das Experiment nötigen mit Quantenpunkten kamen von der Universität Linz. "Durch den Austausch zwischen Theorie und Praxis konnten wir die neue Methode im Experiment erfolgreich umsetzen", betont Thomas Bracht, der in der Arbeitsgruppe von Dr. Doris Reiter promoviert und die theoretischen Berechnungen durchgeführt hat.
Das Experiment hat gezeigt, dass das SUPER-Schema sehr gut funktioniert und die Ergebnisse hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Mit der Umsetzung dieser neuen Methode, über die die Forschenden in der Fachzeitschrift Nano Letters berichten, machen sie einen großen Schritt vorwärts im Bemühen, Quantenkommunikation nicht nur im Labor, sondern für echte Anwendungen nutzbar zu machen.
COMPAMED.de; Quelle: Technische Universität Dortmund
