Diese elektronenmikroskopische Aufnahme der am UCSB entwickelten Einzelphotonenquellen zeigt die geätzten Gräben, die große 20-Mikrometer-Hohlräume hinterlassen. Die unterschiedlichen Geometrien beeinflussen die Form des begrenzten Lichtfeldes in der Kavität und bestimmen somit die Polarisation der emittierten Photonen. Bildnachweis: Stefan Strauf et al.

Die Wissenschaftler haben einen großen Fortschritt bei der Entwicklung einer Einzelphotonen-Lichtquelle erzielt und Quantenanwendungen wie Quantencomputing und Quantenkryptographie der Realität näher gebracht.

Ein Forschungsteam an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara (UCSB) unter der Leitung von Prof. Dirk Bouwmeester (Physik), Prof. Pierre Petroff (Materialien und ECE) und Prof. Larry Coldren (ECE) hat eine robuste Mikrometergröße geschaffen Halbleiterbauelement, das bei Bedarf einzelne Photonen mit einer Rate von 31 Millionen Photonen pro Sekunde (31 MHz) in eine optische Faser emittieren kann, fünfmal besser als bisher möglich.

Die Studie der Wissenschaftler macht das Cover der Dezember-Ausgabe von Nature Photonics . In der Veröffentlichung beschreiben die Forscher, wie sie eine Einzelphotonenquelle basierend auf einem Halbleiterquantenpunkt entwickelten, der strukturell robust ist und einen Rekord-Lichtextraktionswirkungsgrad von bis zu 38% bietet. Mehrere Innovationen trugen zur Leistungssteigerung bei, darunter ein neues Mikrokavitätsdesign, eingebettete Oxidaperturen und elektrische Gates zur Steuerung der Emissionsrate des aktiven Quantenpunktmaterials.

„Durch die Kombination all dieser Tricks in einem richtig gestalteten Halbleiterbauelement konnten wir fünf Millionen Einzelphotonen pro Sekunde messen, was einer Netto-Einzelphotonen-Erzeugungsrate von 31 MHz entspricht“, so Stefan Strauf, Assistant Professor am Stevens Institute of Technology in New Jersey, sagte PhysOrg.com . „Darüber hinaus haben wir Einzelphotonensignaturen mit Geschwindigkeiten von bis zu 116 MHz aufgezeichnet, jedoch aufgrund technischer Einschränkungen nur unter kontinuierlicher und nicht gepulster Laseranregung, bei der der On-Demand-Charakter verloren geht. Trotzdem zeigen diese Experimente das Potenzial für weitere Verbesserungen der Geräte. “

Das Design der Forscher basierte auf einer gemeinsamen Technik zur Erzeugung einzelner Photonen: Unter Verwendung einer optischen Mikrokavität wurde das von einem einzelnen Quantenpunkt emittierte Licht geerntet. Wenn mit Hilfe eines optischen Hohlraums Licht in einen kleinen Raum um einen Quantenpunkt gepresst wird, werden die elektrischen Ladungsträger innerhalb des Quantenpunkts gezwungen, Licht schneller zu emittieren. Um das Licht sehr stark einzugrenzen, sind Mikrokavitäten mit sehr präzisen Geometrien erforderlich. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler winzige Mikropillen mit Abmessungen im Submikrometerbereich geätzt, um das Licht einzugrenzen. Der Nachteil ist jedoch, dass durch das Ätzen raue Seitenwände entstehen, die das Licht zerstreuen.

Anstatt winzige Mikropillen zu ätzen, ätzten die Wissenschaftler große Gräben, die Hohlräume mit Durchmessern von etwa 20 Mikrometern hinterließen, und verwendeten eingebettete Aluminiumoxid-Öffnungen, um das Lichtfeld auf einen winzigen Raum zu beschränken und Streuverluste erfolgreich zu vermeiden. Es stellte sich heraus, dass die Apertur auch mechanisch stärker ist als die spröden Säulen, sodass die Wissenschaftler elektrische Kontakte anbringen können, um die Emission der Quantenpunkte (aufgrund des Purcell-Effekts) zu steuern und die Photonenerzeugungsrate weiter zu verbessern.

Das neue Design eröffnete auch die Möglichkeit, Geometrien der den Hohlraum bildenden geätzten Gräben zu untersuchen (siehe Titelbild von Nature Photonics ). Diese Geometrie beeinflusst auch die Form des begrenzten Lichtfelds innerhalb des Hohlraums und bestimmt somit die Polarisation des emittierten Lichtfelds. Mit Hilfe der elektrischen Kontakte demonstrierten die Forscher die Spannungsregelung der Einzelphotonenpolarisation. Diese Fähigkeit ist wichtig für die Quantenkryptographie, da die Nullen und Einsen des Binärcodes in der Polarisation der Photonen codiert werden können.

Eine der nächsten Verbesserungen war die Fähigkeit der Wissenschaftler, die Bildung von „dunklen Zuständen“ zu verhindern, was zuvor noch nie erreicht wurde. Wenn ein Elektron und ein Loch von einem Quantenpunkt eingefangen werden, bilden sie Exzitonen mit einem Spin von eins oder zwei. Wie die Wissenschaftler erklärten, ermöglicht eine Drehung um eins, dass sich die Anregung an das optische Feld ankoppelt und neu kombiniert, aber eine Drehung um zwei kann nicht feuern und bildet einen „dunklen Zustand“.

"Sie wollen verhindern, dass sich diese sogenannten dunklen Zustände bilden", erklärte Strauf. „Und Sie können dies tun, indem Sie die Quantenpunkte mit einem einzelnen Elektron vorladen. Auf diese Weise entstehen nach dem Einfangen eines Elektronen-Loch-Paares zwei Elektronen, die aufgrund des Pauli-Prinzips einen entgegengesetzten Spin haben müssen. Dies bedeutet, dass das Elektron immer einen hellen Rekombinationspfad findet. “

Die neue Einzelphotonenquelle ist ein bedeutender Schritt in Richtung eines praktischen Geräts in einem Bereich, in dem rasche Fortschritte erzielt wurden. Wie Strauf bemerkt, dauerte es vor nur fünf Jahren acht Stunden, um eine anständige Einzelphotonensignatur von einem Halbleiter aufzunehmen. Vergleichen Sie dies mit der aktuellen Zeitskala von Millisekunden, um eine Einzelphotonensignatur aufzuzeichnen, und die Chancen sind hoch, dass sich Einzelphotonenquellen weiter verbessern werden. Letztendlich ist die Geschwindigkeit der Einzelphotonenerzeugung durch die Lebensdauer des angeregten Zustandes des Punktes begrenzt - etwa 0, 1 bis 1 Nanosekunde, was einem Bereich von 1 bis 10 GHz entspricht. Diese Raten sind jedoch noch abzuwarten.

Neben der Erzielung einer hohen Erzeugungsrate erfordern Quantenanwendungen auch andere Verbesserungen. Gegenwärtig arbeiten die Einzelphotonenquellen von UCSB bei Wellenlängen von 950 Nanometern und bei kryogenen Temperaturen. Praktische Quantenkryptographie erfordert jedoch Telekommunikationswellenlängen und den Betrieb bei Raumtemperatur. Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, dass Einzelphotonenquellen eines Tages die Technologie für viele interessante Anwendungen liefern werden.

Weitere Informationen: Strauf, Stefan, Stoltz, Nick G., Rakher, Matthew T., Coldren, Larry A., Petroff, Pierre M. und Bouwmeester, Dirk. "Hochfrequente Einzelphotonenquelle mit Polarisationskontrolle." Nature Photonics, Vol. 3, No. 1. Dezember 2007, 704-708.

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