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Praktikable Photonenquelle für die Quantenkommunikation

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forschern der TU Berlin ist es zum ersten Mal gelungen, eine praktikable Quelle einzelner Lichtquanten zu bauen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen ist diese kompakt.

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Die neuartige Einzelphotonenquelle findet bequem in einer Schreibtischschublade Platz und könnte zukünftig in der abhörsicheren Quantenkommunikation verwendet werden.
Die neuartige Einzelphotonenquelle findet bequem in einer Schreibtischschublade Platz und könnte zukünftig in der abhörsicheren Quantenkommunikation verwendet werden.
(Bild: TU Berlin)

Weltweit wird daran geforscht, wie sich einzelne Lichtquanten als Informationsträger in der Quantenkommunikation und Quantencomputertechnologie verwenden lassen. Dabei soll ein einzelnes Lichtquant (Photon) als Informationsträger dienen.

Eines der bisherigen Probleme: Die Technik ist sensibel, da sie in der Regel fast ausschließlich im Vakuum und bei sehr niedrigen Temperaturen, nahe dem absoluten Nullpunkt, funktioniert. Dazu sind aufwendige Laborapparaturen nötig.

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In der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Stephan Reitzenstein am Institut für Festkörperphysik der TU Berlin ist es jetzt gelungen, eine Plug-and-play-Quelle von Lichtquanten zu bauen. „Das System beruht auf einem sogenannten künstlichen Atom, also einem Quantenpunkt, auf einem Halbleiterchip.

Genau über diesem Quantenpunkt können wir in einer von uns entwickelten einzigartigen Technik eine Mikrolinse anbringen. Diese Linse sammelt die von dem Quantenpunkt ausgesandten Photonen effizient ein, sodass wir später eine hohe Datenübertragungsrate in der Quantenkommunikation realisieren können“, erklärt Dr. Tobias Heindel, Mitarbeiter von Prof. Reitzenstein.

Photonen über große Distanzen transportieren

Der Clou: Es ist gelungen, eine optische Glasfaser exakt über dem Quantenpunkt zu positionieren und zu fixieren, wodurch die abgestrahlten Photonen direkt aufgefangen und über große Distanzen weitergeleitet werden können. Das ganze System aus Halbleiterchip mit Quantenpunkt, Mikrolinse und exakt ausgerichteter und fixierter Glasfaser wird dann in einen sogenannten Stirling-Kühler eingebaut. Bei dem Stirling-Kühler handelt es sich um eine kommerziell verfügbare Apparatur, die dazu dient, den Halbleiterchip auf die benötigten tiefen Temperaturen, nur wenige zehn Kelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunktes, herunter zu kühlen.

Der große Vorteil dieser Anordnung: Die gesamte sogenannte Q-Source (Quanten-Quelle) inklusive Stirling-Kühler findet in einer durchschnittlichen Schreibtischschublade Platz und benötigt lediglich einen Netzanschluss mit 230 V.

Zum Vergleich: Typische Quantenlichtquellen der Forscher nehmen meist ein ganzes Labor mit aufwendiger und teurer Helium-Kühltechnik in Anspruch. Das Glasfaserkabel ermöglicht den Transport der Quanten auch über große Distanzen. So könnte die hier entwickelte Q-Source in Zukunft fester Bestandteil abhörsicherer Kommunikationskanäle im Quanten-Internet werden.

Die Arbeiten zu dieser benutzerfreundlichen Quantenlichtquelle entstanden im Rahmen des BMBF VIP-Projektes „QSOURCE“.

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