Quantenphotonik auf einem einzelnen Chip

Forschern der Universität Paderborn 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.

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.“

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