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Quanten-Durchbruch: Beamen auf Knopfdruck

JKU-Forschern ist es gelungen, Photonenpaare auf Knopfdruck herzustellen. Damit wird Quantenteleporatation stark vereinfacht.

Bei der Teleportation von Quantenzuständen war man bisher auf die zufällige Entstehung verschränkter Photonenpaare angewiesen. Univ.-Prof. Armando Rastelli (Vorstand der Abteilung Halbleiterphysik), DI Marcus Reindl und Projekt-Koordinator Univ.-Prof. Rinaldo Trotta ist es nun gelungen, solche Paare auf Knopfdruck herzustellen. Wie die Forscher im Fachjournal "Science Advances" berichten, verwendeten sie dafür in Halbleiterkristallen eingebettete Quantenpunkte.

Anders als in der Science Fiction beschäftigen sich Forscher nicht mit dem "Beamen" von Personen. Die Teleportation einzelner Quantenzustände ist hingegen real und gilt als eine der Schlüsseltechnologien für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Sie soll es ermöglichen, hundertprozentig sicher verschlüsselte Nachrichten auch über große Distanzen hinweg zu übertragen.

Die dafür benötigten verschränkten Photonenpaare stammen üblicherweise aus sogenannten nichtlinearen Kristallen, in denen ein einzelnes hochenergetisches Photon in zwei verschränkte Photonen niedrigerer Energie aufgespalten wird. "In diesem Prozess spielt der Zufall eine große Rolle", erklärte der Erstautor der aktuellen Studie, Marcus Reindl vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz gegenüber der APA. "Deshalb weiß man nie genau, wann ein geeignetes Photonenpaar entstehen wird. Für technologische Umsetzungen ist das ein großer Nachteil."

Reindl und seine Kollegen benutzen deshalb winzige, in Halbleiterkristallen eingebettete Quantenpunkte. Auch sie werden mit Licht in Form von Laserpulsen angeregt und geben darauf hin zwei verschränkte Photonen ab, allerdings mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit. "Das funktioniert im Grunde auf Knopfdruck", sagte Reindl. "Jeder Laserpuls erzeugt mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit ein Photonenpaar, das wir dann für die Teleportation nutzen können." Dem Physiker zufolge ist es das erste Mal, dass derartige "on demand" erzeugte Quantenobjekte erfolgreich für die Teleportation eingesetzt wurden.

Um die Quantenpunkte zu erzeugen, ätzten die Forscher zunächst ein hochsymmetrisches Loch in die Oberfläche eines Aluminium-Gallium-Arsenid-Kristalls und füllten es mit reinem Gallium-Arsenid auf. Abschließend wurde der Punkt noch mit dem für die verwendeten Photonen transparenten Aluminium-Gallium-Arsenid abgedeckt. "Die hohe Reinheit und Symmetrie unserer Quantenpunkte sind der Schlüssel zur zuverlässigen Erzeugung verschränkter Photonenpaare", sagte Reindl. Zwar ist auch das neue System noch nicht perfekt und "verschluckt" immer wieder Photonen unmittelbar nach der Erzeugung. In Verbindung mit Fortschritten anderer Forschungsgruppen sieht Reindl aber großes Potenzial für den zukünftigen technologischen Einsatz von Quantenpunkten als Lichtquellen für die Quantenkommunikation.

NEWS 17.12.2018

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