Physikern der Universität Basel ist es gelungen, die Quantenteilchen des Lichts - die Photonen - mit nur einer Farbe zu erzeugen, was sich für die Quanteninformation nutzbar machen lässt. Dafür haben die Forscher die Wellenlänge der von einem Halbleiter ausgesandten Photonen aktiv stabilisiert und die Störquellen innerhalb des Halbleiters neutralisiert. Die Ergebnisse wurden in enger Zusammenarbeit mit den Universitäten Bochum, Paderborn und Lyon erarbeitet und in der Fachzeitschrift "Physical Review X" veröffentlicht.

Licht besteht aus Quantenteilchen, den Photonen. Mit einem einzelnen Photon ist es möglich, Quanteninformationen zu übertragen. Die Information befindet sich beispielsweise in der Polarisation oder in der Phase des Photons und kann für Quantenkommunikation und Quantencomputerfunktionen genutzt werden. Eine Grundvoraussetzung für diese Anwendungen sind Quellen von einzelnen Photonen. Halbleitermaterialien aus wenigen 100.000 Atomen, sogenannte Quantenpunkte, sind eines der vielversprechendsten Systeme für solche einzelne Photonenquellen. Ein Hauptproblem ist jedoch die "Farbe" - oder die Wellenlänge - der von Quantenpunkten erzeugten Photonen, denn diese wandert zufällig und befindet sich nie bei einem festen Wert.

Die Ursache für die Fluktuationen der Wellenlängen der Photonen liegt in Störquellen in der Umgebung des Quantenpunkts, die in Form von wandernden elektrischen Ladungen innerhalb des Halbleiters auftreten. Um dieses "Rauschen" zu unterdrücken, haben die Forscher um Prof. Richard Warburton vom Departement Physik der Universität Basel ein aktives, quantenmechanisch-klassisches Hybridsystem entwickelt, das einen einzelnen Quantenpunkt mit einem stabilisierten Laser koppelt. Der Stabilisierungsmechanismus misst die auf Fluktuationen höchst sensitive Absorption des Quantenpunktes und regelt aktiv mit dem entgegengesetzten Effekt das elektrische Feld in der Umgebung des Quantenpunkts nach.

Strom von gleichfarbigen Photonen

Auf diese Weise konnte die Forschungsgruppe einen nahezu perfekten Strom von gleichfarbigen Photonen erzeugen. Das Besondere dabei ist, dass Quantensysteme über klassische Regelungen zu technisch nutzbaren Funktionalitäten gebracht werden können, was bisher in keinem anderen Labor gelungen ist.

Die neuen Erkenntnisse haben das Potenzial der stabilen Einzelphotonenquelle - durch die höchst effektive Unterdrückung der Ladungsfluktuationen - und sind auch sehr nützlich zur Verbesserung von halbleiterbasierenden Quantensystemen, zum Beispiel von sogenannten Spin-Qubits. Die Studie wurde durch den Nationalen Forschungsschwerpunkt "QSIT - Quantum Science and Technology" unterstützt, an dem die Universität Basel als Co-Leading-House beteiligt ist.

Originalbeitrag
Jonathan H. Prechtel, Andreas V. Kuhlmann, Julien Houel, Lukas Greuter, Arne Ludwig, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, and Richard J. Warburton
Frequency-Stabilized Source of Single Photons from a Solid-State Qubit
Phys. Rev. X 3, 041006 (2013)
DOI: 10.1103/PhysRevX.3.041006