Die Grundlage der heutigen Kommunikationstechnologie bilden Licht- und Schallwellen. Während nanoskalige Schallwellen auf Halbleitern Signale im Gigahertz-Frequenzbereich für die drahtlose Übertragung verarbeiten, erschaffen Glasfasern mit Laserlicht das World Wide Web.
Eine der dringendsten Fragen für die Zukunft ist, wie diese Technologien auf Quantensysteme ausgeweitet werden können, um sichere (d. h. abhörfreie) Systeme aufzubauen. Quantenkommunikation Netzwerke.
Lichtquanten bzw. Photonen spielen bei der Entwicklung von Quantentechnologien eine ganz zentrale Rolle.
Einem Team aus deutschen und spanischen Wissenschaftlern aus Valencia, Münster, Augsburg, Berlin und München ist es gelungen, einzelne Lichtquanten mit äußerst hoher Präzision zu kontrollieren. Ihre Studie nutzt eine Schallwelle, um die Person zu wechseln Photonen auf einem Chip zwischen zwei Ausgängen bei Gigahertz-Frequenzen.
Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler eine neue Methode demonstriert haben, die für akustische Quantentechnologien oder komplexe integrierte photonische Netzwerke verwendet werden kann.
Physiker Prof. Hubert Krenner, der die Studie leitet Münster und Augsburg sagte: „Unserem Team ist es nun gelungen, einzelne Photonen auf einem daumennagelgroßen Chip zu erzeugen und diese anschließend mit beispielloser Präzision, präzise getaktet, zu steuern Schallwellen"
Dr. Mauricio de Lima, der an der Universität Valencia forscht und die dortige Arbeit koordiniert, fügt hinzu: „Das Funktionsprinzip unseres Chips war uns vom konventionellen Laserlicht her bekannt, doch nun ist uns mithilfe von Lichtquanten der lang ersehnte Durchbruch gelungen Quantentechnologien"
In der Studie stellten die Wissenschaftler einen Chip mit winzigen „Leitungspfaden“ für Lichtquanten – sogenannten Wellenleitern – her. Diese sind etwa 30-mal dünner als menschliches Haar. Der Chip enthält auch sogenannte Quantenlichtquellen Quantenpunkte.
Dr. Matthias Weiß von der Universität Münster führte die optischen Experimente durch und fügte hinzu: „Diese nur wenige Nanometer großen Quantenpunkte sind Inseln im Inneren der Wellenleiter, die emittieren ! als einzelne Photonen. Die Quantenpunkte sind in unserem Chip enthalten, so dass wir keine komplizierten Methoden anwenden müssen, um einzelne Photonen über eine andere Quelle zu erzeugen.“
Dr. Dominik Bühler, der die Quantenchips im Rahmen seiner Doktorarbeit entworfen hat. von der Universität Valencia, weist darauf hin, wie schnell die Technologie ist: „Durch den Einsatz nanoskaliger Schallwellen können wir die Photonen auf dem Chip während ihrer Ausbreitung in den Wellenleitern direkt und mit beispielloser Geschwindigkeit zwischen zwei Ausgängen hin und her schalten.“
Dr. Mauricio de Lima sagte mit Blick auf die Zukunft: „Wir arbeiten bereits mit Hochdruck daran, unseren Chip so weiterzuentwickeln, dass wir den Quantenzustand der Photonen nach unseren Wünschen programmieren oder sogar mehrere Photonen mit unterschiedlichen Farben zwischen vier oder mehr Ausgängen steuern können.“
Prof. Hubert Krenner fügt, „Wir profitieren hier von einer einzigartigen Stärke unserer nanoskaligen Schallwellen: Da sich diese Wellen nahezu verlustfrei auf der Oberfläche des Chips ausbreiten, können wir mit nur einer einzigen Welle nahezu so viele Wellenleiter steuern, wie wir wollen – und das im Extremfall.“ hohes Maß an Präzision.“
Zeitschriftenreferenzen:
- Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline D. S. Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., H. J. Krenner (2022): On-Chip-Generierung und Dynamik Piezooptomechanische Rotation einzelner Photonen. Nature Communications 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
