Künstliche Atome, Photonen und der steinige Weg zum Quantencomputer auf dem Chip

Quantenpunkte in winzigen Lichtresonatoren stehen zurzeit bei Physikern hoch im Kurs, denn in dieser Umgebung treten sie mit Licht besonders intensiv in Wechselwirkung. Wichtig ist dies für die Quantenkryptografie und die allerersten Grundelemente künftiger Quantencomputer auf Halbleiterbasis. Bemerkenswerte Erfolge gelangen drei Teams kürzlich mit einer rekordbrechenden Einzelphotonenquelle und mit ganz speziellen „Minilichtschaltern“.

Mit einer Einzelphotonenquelle, die mehr als 30 Millionen Photonen in der Sekunde gleichsam Stück für Stück liefert, stellen Stefan Strauf vom Stevens Institute of Technology in New Jersey sowie seine Kollegen von der University of California, Santa Barbara, den alten Rekord um das Fünffache in den Schatten und können obendrein etwa 40 Prozent der im Quantenpunkt erzeugten Photonen in eine Glasfaser einspeisen (Nature Photonics, Bd. 1, S. 704). Wissenschaftlern um Dirk Englund von der Stanford University ist es unterdessen geglückt, einen Quantenpunkt in einem Mikroresonator erstmals direkt mit Licht anzusprechen. Je nachdem, ob der Quantenpunkt mit dem Lichtfeld im Resonator stark interagierte oder nicht, reflektierte dieser einfallendes Licht größtenteils oder ließ dieses ein. Über ihren Minilichtschalter berichten sie in der gleichen Ausgabe der Zeitschrift Nature wie die Forscher um Oskar Painter vom Caltech in Pasadena, denen ein sehr ähnliches Experiment gelungen ist (Bd. 450, S. 857 und S. 862).

Diese Arbeiten reihen sich in die Serie bedeutender Fortschritte der letzten Jahre auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung ein. Insbesondere gelingt es den Forschern immer besser, einzelne Photonen mit all ihren quantenphysikalischen Eigenheiten unter ihre Kontrolle zu bringen und zu manipulieren. Dringend benötigen sie dazu leistungsfähige Einzelphotonenquellen und -detektoren, die einerseits einzelne Photonen mit bestimmten Eigenschaften auf Abruf verlässlich und rasch anliefern und sie andererseits ebenso verlässlich registrieren.

In der Forschung rund um Quantencomputer kommen weitere Herausforderungen hinzu, denn hier müssen zusätzlich die Quantenzustände einzelner materieller Teilchen wie Ionen, Atome oder auch größerer Gebilde wie Quantenpunkte oder supraleitende Josephsonkontakte kontrolliert werden. Die kleinste Einheit der Quanteninformation ist das Qubit oder Quantenbit. Nach den Vorstellungen der Physiker sollen die materiellen Gebilde die Quanteninformation in ihren Quantenzuständen als sogenannte „ruhende Qubits“ speichern, während vor allem Photonen sie als „fliegende Qubits“ übertragen.

Quantenschnittstelle mittels Resonator

Um Quantennetzwerke, also den Austausch der Quanteninformation verwirklichen zu können, sollte diese von ruhenden auf fliegende Qubits und umgekehrt wandern können. Wissenschaftler, die an diesen Quantenschnittstellen arbeiten, setzen dazu auf eine ausreichend starke und langandauernde Kopplung zwischen Licht und Materie. Sie sperren dazu beispielsweise ultrakalte Atome in Lichtresonatoren ein (c't 15/07, S. 49) und verstärken so das Lichtfeld um das Atom herum. Das Verfahren nennen die Physiker CQED („cavity quantum electrodynamics“) - und sie bauen CQED-Systeme auch schon kompakt auf Halbleiterchips. An die Stelle des Einzelatoms tritt hier ein einzelner Quantenpunkt im Resonator. Diese nur wenige Nanometer großen Inseln aus einem halbleitenden Material in einem anderen beherbergen nur wenige bewegliche Ladungsträger wie Elektronen oder Löcher, die überdies, wie in Atomen, nur bestimmte diskrete Energieniveaus einnehmen. Deshalb gelten Quantenpunkte als künstliche Atome.

Die Arbeiten der Gruppen um Englund und Painter haben die Entwicklung eines Quanteninterface auf der Basis von Quantenpunkten in Halbleiterwafern nun ein gutes Stück vorangebracht. Zwar ist eine starke Kopplung von Licht mit Quantenpunkten in Resonatoren schon vor drei Jahren gelungen, und zwar über die Erzeugung eines angeregten Zustands im Quantenpunkt, dessen Zerfall dann beobachtet wurde. Erst das direkte Ansprechen des Systems über Photonen eröffnet nun aber die Möglichkeit, Quanteninformation vom Photon in den Quantenpunkt fließen zu lassen.

Für Einzelphotonenquellen versuchte man bisher, den Resonator um den Quantenpunkt, beispielsweise in Form einer dünnen Säule aus verschiedenen Halbleiterschichten mit speziellen Spiegeln oben und unten, so klein wie nur möglich zu machen. Die Wände geraten da aber eher rau, und das bringt Streuverluste mit sich. Anders der Ansatz der Forscher von Strauf: Der im Prinzip ähnlich aufgebaute Resonator, der von eigens geätzten Schächten begrenzt wird, ist hier viel breiter und damit mechanisch sehr robust. Die nötige Einschnürung des Lichtfeldes ohne große Streuverluste bewirkt eine Blende aus Aluminiumoxid. Dank der Robustheit konnten die Forscher zudem erstmals Elektroden einarbeiten. Damit können sie nicht nur die Polarisation der Photonen einstellen - ein Extra, das Quantenkryptografen interessieren dürfte, die die Nullen und Einsen der Bits über die Polarisation kodieren -, sondern auch Elektron-Loch-Paare unterdrücken, die im Quantenpunkt wegen ihrer Spin-Orientierung nicht strahlend rekombinieren können. Damit wurde ihre Einzelphotonenquelle noch einmal deutlich effizienter. (anm)