16 Juni Vom Einzelphoton zum Quantenspeicher
Eine dänisch-deutsche Forschungskooperation verfolgt das Ziel, neue Quantenlichtquellen und Technologien für skalierbare Quantennetzwerke auf Basis des Seltenerd-Elements Erbium zu entwickeln. „Eines der heikelsten Probleme ist die Integration von Quantenlichtquellen mit Quantenspeichern“, sagt der Projektkoordinator Søren Stobbe, Professor an der Technischen Universität Dänemark (DTU). Die zugrundeliegende technologische Vision der Entwickler basiert auf der Kombination von nanophotonischen Chips der DTU mit Technologien aus den Bereichen Materialien, Nanoelektromechanik, Nanolithographie und Quantensysteme.
Quantenlicht auf Siliziumbasis
Heute existieren bereits viele verschiedene Arten von Quantenlichtquellen, aber entweder funktionieren sie nicht im Zusammenspiel mit Quantenspeichern, oder sie sind nicht mit optischen Fasern kompatibel, erklären die Projektteilnehmer. Nach Meinung der Forschenden gibt es derzeit nur eine erfolgversprechende Option: das Element Erbium. Erbium alleine interagiert jedoch zu schwach mit Licht. Die Wechselwirkung muss deutlich verstärkt werden. Das ist nun mit einer an der DTU entwickelten Nanophotonentechnologie möglich. Das von deutscher Seite beteiligte Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wird zur Entwicklung neuer Quantenlichtquellen beitragen, die auf Silizium basieren. Diese Lichtquellen werden bei denselben Wellenlängen arbeiten, die auch in der Glasfaserkommunikation Verwendung finden, was sie ideal für künftige Quantentechnologien macht. „Wir wollen fortschrittliche Ionenstrahltechniken einsetzen, um Erbium-Atome gezielt in winzige Siliziumstrukturen zu implantieren, und untersuchen, wie die Verwendung von ultrareinem Silizium deren Leistung verbessern kann“, erklärt Dr. Yonder Berencén, der Leiter des Projekts am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR.
Die Implantation eines einzelnen Erbium-Ions in eine optische Nanokavität auf Siliziumbasis soll folgendermaßen ablaufen: Ein fokussierter Ionenstrahl liefert einzelne Erbium-Ionen mit Nanometerpräzision, während ein Laser seitlich Licht in eine Nanokavität einkoppelt, um das Ion anzuregen. Das angeregte Erbium-Ion emittiert einzelne Photonen im C-Band der Telekommunikation und ermöglicht so skalierbare Quantenlichtquellen, die mit bestehenden Glasfasernetzen kompatibel sind.
„Diese Forschung wird den Grundstein für den Bau von Quantenbauelementen legen, die in die heutige Technologie integriert werden können“, so Berencén.
Finanzierung und weitere Partner
Das Projekt Equal (Erbium-basierte Silizium-Quantenlichtquellen) wird vom Innovationsfonds Dänemark mit 40 Millionen dänischen Kronen (etwa 5,3 Millionen Euro) gefördert. Es begann im Mai 2025 und hat eine Laufzeit von fünf Jahren. Das EQUAL-Team hat darüber hinaus Zugang zu weiteren Spitzentechnologien von Partnerinstitutionen: Quantennetzwerke von der Humboldt-Universität in Berlin, Nanotechnologie von Beamfox Technologies und integrierte Photonik von Lizard Photonics.
Quelle: www.hzdr.de
Bild: B. Schröder / HZDR