Quantenpunkt-Photonenquelle Telekom-Optoelektronik mit 92 % Interferenz-Sichtbarkeit im C-Band

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Eine optoelektronische Lichtquelle, die auf Abruf einzelne Photonen im Telekommunikations-C-Band mit Rekordqualität erzeugt, weist eine Interferenz-Sichtbarkeit von 92 Prozent auf. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu skalierbarem photonischem Quantencomputing und Quantenkommunikation.

Ein Forschungsteam der Universität Stuttgart und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg unter der Leitung von Prof. Stefanie Barz (Universität Stuttgart) hat eine optoelektronische Lichtquelle realisiert, die einzelne Photonen im für die Telekommunikation kritischen C-Band (1.550 nm) mit Rekordqualität und deterministisch erzeugt. Mit einer Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeit von nahezu 92 Prozent erreicht das Quantenpunkt-Bauelement erstmals Werte, die mit probabilistischen Systemen konkurrenzfähig sind und das bei gleichzeitig deterministischer Funktionsweise.

„Dass keine hochwertige C-Band-Photonenquelle zur Verfügung stand, die deterministisch arbeitet, war über ein Jahrzehnt hinweg ein zentrales Problem in Quantenoptiklaboren. Unsere neue Technologie beseitigt nun dieses Hindernis“, erklärt Prof. Stefanie Barz. Das bedeutet erstmals Zugang zu synchronisierbaren Photonenquellen für das Telekommunikationsband.

Deterministische Photonenerzeugung

Anders als herkömmliche probabilistische Verfahren wie die spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) erzeugt die neue Quantenpunkt-basierte Quelle Photonen exakt dann, wenn sie elektronisch angesteuert wird. Diese Eigenschaft ist für die Synchronisation mehrerer Photonenquellen in komplexen optoelektronischen Systemen essentiell.

Die hohe Ununterscheidbarkeit der erzeugten Photonen ist ein kritischer Parameter für Quanteninterferenz-Anwendungen und ermöglicht eine präzise Kontrolle über Interferenzeffekte. Diese kontrollierten Quanteneffekte sind eine Grundvoraussetzung für fortgeschrittene Anwendungen im Bereich des Quantencomputings und der Quantenkommunikation.

Integration in Telekommunikationsinfrastruktur

Für die industrielle Umsetzung photonischer Quantentechnologien ist die Kompatibilität mit bestehender Glasfaser-Infrastruktur entscheidend. Das Telekommunikations-C-Band um 1.550 nm bietet minimale optische Verluste in Standard-Singlemode-Fasern und ist daher der industrielle Standard für Langstrecken-Datenübertragung.

Bisherige Quantenpunkt-Photonenquellen erreichten ihre besten Eigenschaften bei kürzeren Wellenlängen von 780 bis 960 nm, während C-Band-Implementierungen bestenfalls 72 Prozent Interferenz-Sichtbarkeit erzielten. Das liegt deutlich unter den Anforderungen anspruchsvoller Quantenanwendungen.

Das entwickelte Bauelement basiert auf Indiumarsenid-Quantenpunkten in einer Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid-Matrix, integriert in einen zirkularen Bragg-Gitter-Resonator zur Verstärkung der Photonenemission.

Zu den Kernparameter gehören:

• Wellenlänge: C-Band (≈1.550 nm)

• Betriebsmodus: Deterministisch (On-Demand)

• Zwei-Photonen-Interferenz-Sichtbarkeit: 92 Prozent

• Anregung: Phonon-vermittelt (optimierte Kristallgitter-Schwingungen)

Das Team verglich systematisch verschiedene Anregungsschemata und identifizierte phonon-vermittelte Anregung als optimal gegenüber direkter optischer Pumpung mit höherenergetischem Licht.

Mögliche Anwendungsperspektiven

Die Kombination aus deterministischer Erzeugung, C-Band-Kompatibilität und hoher Photonenqualität eröffnet neue Möglichkeiten:

• Quantenkommunikations-Hardware für Telekommunikationsnetze,

• Hochpräzise optische Messtechnik und

• Quantenkryptographie-Module.

Zu den mittelfristigen Entwicklungen gehören:

• Photonische Quantenprozessoren für distribuierte Rechenarchitekturen

• Quantenrepeater für Langstrecken-Quantenkommunikation

• Hybride optisch-elektronische Systeme

Die Publikation entstand aus der Kooperation zwischen Stuttgart (Systemintegration) und Würzburg (Quantenpunkt-Herstellung unter Prof. Sven Höfling). Die Entwicklung erfolgt im Rahmen des BMFTR-geförderten PhotonQ-Projekts, das einen photonischen Quantenprozessor an der Universität Stuttgart realisiert.

Das Nachfolgeprojekt Quantenrepeater.Net (QR.N) zielt auf die Vernetzung mehrerer photonischer Prozessoren für verteiltes Quantencomputing – eine Technologie mit erheblichem Potenzial für die künftige Elektronik- und IT-Industrie. (heh)

Photonischer Baukasten

Wenn Lichttechnik zur Systemintegration wird

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