11 Apr Einzelphotonenquellen: Auf dem Weg in die Massenfertigung
Quantenrechner könnten in Zukunft mit neuen Ansätzen für neue Leistungsdimensionen sorgen. Beispielsweise bei der Datenbanksuche, in KI-Systemen und bei Simulationen. Für die Umsetzung der Quantentechnologie werden jedoch integrierte Schaltkreise benötigt, die photonische Quantenzustände – Qubits – effektiv steuern können. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Dresden und des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung haben eigenen Angaben zufolge erstmals die kontrollierte Erzeugung von Einzelphotonen-Emittern in Silizium auf der Nanoskala realisiert.
PICs: Schlüssel zur Quantenphotonik
Photonische integrierte Schaltkreise (Photonic Integrated Circuits, PICs) nutzen Photonen anstelle von Elektronen. Ein Schaltkreis mit integrierter Optik verarbeitet Signale mit Wellenlängen typischerweise im nahen Infrarotspektrum. „Diese PICs mit vielen integrierten photonischen Komponenten sind in der Lage, Licht auf einem einzigen Chip zu erzeugen, zu leiten, zu verarbeiten und zu detektieren“, sagt Dr. Georgy Astakhov, Leiter der Abteilung Quantentechnologien am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR. Photonische Chips verfügten über das Potenzial zur Miniaturisierung, und ihre Stabilität im Betrieb empfehle sie zudem für die Massenproduktion, erklärt der Wissenschaftler. Sie könnten so zum Arbeitspferd der modernen Quantenphotonik werden.
Einzelphotonenquellen gezielt platziert
Die kontrollierte kompakte Integration von Einzelphotonenquellen könnte einen ressourceneffizienten Weg zum Einbau von Millionen photonischer Qubits in PICs eröffnen, sind sich die Forscher sicher. Doch die derzeitig etablierte Herstellungsmethode steht der Kompatibilität dieses Konzepts mit der heutigen Halbleitertechnologie im Weg. In einem ersten Versuch haben die Forscher bereits einzelne Photonen auf einem Siliziumwafer erzeugt, allerdings nur auf zufällige und nicht skalierbare Weise.
Nun zeigten sie, wie sich mit fokussierten Ionenstrahlen aus Flüssigmetall- Legierungs-Ionenquellen Einzelphotonenemitter an gezielten Positionen auf dem Wafer platzieren lassen und dass dabei sowohl ein hoher Ertrag als auch eine hohe spektrale Qualität erreichbar sind. Zudem unterzogen die Wissenschaftler die Einzelphotonenemitter einem Materialtestprogramm: Nach mehreren Abkühl- und Aufwärmzyklen konnten sie nach eigener Aussage keine Verschlechterung der optischen Eigenschaften feststellen. Mit diesen Ergebnissen sind die Voraussetzungen für eine spätere Massenproduktion gegeben.
Das Team konnte die Herstellung von Einzelphotonenemittern außerdem auf den Wafer-Maßstab übertragen, indem es die Ionen in handelsüblichen Implantern großflächig durch eine lithografisch definierte Maske einbrachte.
Produktion in Halbleiterfabriken
Die Methode ist laut den Wissenschaftlern nun mit der etablierten Halbleiterfertigung kompatibel. Mit beiden Methoden kann das Team eine große Anzahl von Einzelphotonenemittern an vordefinierten Stellen mit einer räumlichen Auflösung von etwa 50 nm erzeugen. Sie emittieren im O-Band der Telekommunikation und zeigen einen stabilen Betrieb – kontinuierlich und über Tage hinweg.
Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die kontrollierte Herstellung von Einzelphotonen-Emittern in Silizium sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für photonische Quantentechnologien macht, auf einem Herstellungsweg, der für die Umsetzung in den Großmaßstab kompatibel ist. Die Einzelphotonen-Emitter, so die Wissenschaftler, sind nun technologisch bereit für die Produktion in Halbleiterfabriken und die Integration in die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur.
Originalpublikation:
[M. Hollenbach, N. Klingner, N. S. Jagtap, L. Bischoff, C. Fowley, U. Kentsch, G. Hlawacek, A. Erbe, N. V. Abrosimov, M. Helm, Y. Berencén und G. V. Astakhov, Wafer-scale nanofabrication of telecom single-photon emitters in silicon, Nature Communications, 2022 (DOI: 10.1038/s41467-022-35051-5)]
Quelle: www.hzdr.de
Bild: M. Hollenbach, B. Schröder/HZDR
