15 Jun Vollständig integrierte Quantenlichtquelle in Chipgröße
Ein internationales Team von Forschenden der Leibniz Universität Hannover, der Universität Twente/Niederlande und des Start-ups QuiX Quantum haben eine vollständig auf einem Chip integrierte verschränkte Quantenlichtquelle präsentiert. Es sei gelungen, die Größe der Lichtquelle auf weniger als ein Tausendstel zu verkleinern, was Reproduzierbarkeit, verbesserte Stabilität der Lichtquelle und Skalierbarkeit erlaube, sagt Prof. Dr. Michael Kues, Leiter des Instituts für Photonik und Vorstandsmitglied des Exzellenzclusters PhoenixD der Leibniz Universität. Diese Eigenschaften sollen den Einsatz in praktischen Anwendungen wie photonischen Quantenprozessoren ermöglichen.
Prof. Dr. Michael Kues, Hatam Mahmudlu und Dr. Raktim Haldar (von links) haben die integrierte Quantenlichtquelle entwickelt. Bild: Sonja Smalian/PhoenixD
Die integrierte Photonik hat sich zur führenden Plattform für den Aufbau photonischer Quantenrechensysteme entwickelt. „Bislang benötigten Quantenlichtquellen externe, sperrige Lasersysteme, welche deren Feldeinsatz einschränkte“, sagt Hatam Mahmudlu, Doktorand in Kues‘ Team. Diesen Nachteil haben die Wissenschaftler mithilfe ihres Chipdesigns und verschiedener integrierter Plattformen überwunden. Ihre Neuentwicklung, eine elektrisch angeregte, laserintegrierte photonische Quantenlichtquelle, passt komplett auf einen Chip und kann frequenzverschränkte Qubit-Zustände emittieren.
Laser, Filter plus Resonator auf einem Chip
„Qubits sind sehr anfällig für Rauschen. Deswegen muss der Chip von einem Laserfeld angetrieben werden, das mittels eines integrierten Filters völlig rauschfrei ist. Bislang war es unmöglich, Laser, Filter und Resonator auf demselben Chip zu integrieren, da sich kein Material alleinig für die Herstellung dieser verschiedenen Komponenten eignete“, erklärt Dr. Raktim Haldar, Humboldt-Stipendiat in der Forschergruppe. Das Team setzte deswegen auf eine Hybridtechnologie, die den Laser aus Indiumphosphid und einen Filter aus Siliziumnitrid auf einem einzigen Chip zusammenführt. Auf dem Chip werden in einem spontanen nichtlinearen Prozess zwei Photonen von einem Laserfeld erzeugt. Jedes Photon besteht gleichzeitig aus einer Reihe von Farben, was als Superposition bezeichnet wird. Die Farben beider Photonen sind miteinander korreliert; die Photonen sind also verschränkt und können Quanteninformationen speichern.
Chip-integrierte Quantenlichtquelle zur Erzeugung verschränkter Photonen (Illustration). Bild: Raktim Haldar, Michael Kues
Einem Quantenvorteil angenähert
„Jetzt können wir den Laser zusammen mit anderen Komponenten auf einem Chip integrieren, sodass die gesamte Quantenquelle kleiner als eine Ein-Euro-Münze ist. Unser winziges Gerät könnte als ein Schritt in Richtung eines Quantenvorteils auf einem Chip mit Photonen betrachtet werden“, sagt Haldar. Als Quantenvorteil wird die Fähigkeit von Quantenprozessoren bezeichnet, Aufgaben zu lösen, an denen konventionelle Rechner scheitern. „Im Gegensatz zu Google, das derzeit superkalte Qubits in kryogenen Systemen verwendet, könnte der Quantenvorteil mit solchen photonischen Systemen auf einem Chip sogar bei Raumtemperatur erreicht werden“, hofft Haldar.
Außerdem erwarten die Wissenschaftler, dass ihre Entdeckung dazu beitragen wird, die Produktionskosten von Anwendungen zu senken. „Wir können uns vorstellen, dass unsere Quantenlichtquelle bald ein elementarer Bestandteil von programmierbaren photonischen Quantenprozessoren sein wird“, resümiert Kues.
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Originalpublikation:
[Hatam Mahmudlu, Robert Johanning, Albert van Rees, Anahita Khodadad Kashi, Jörn P. Epping, Raktim Haldar, Klaus-J. Boller, Michael Kues: Fully on-chip photonic turnkey quantum source for entangled qubit/qudit state generation; Nature Photonics, 2023, DOI: 10.1038/s41566-023-01193-1]
Quelle: www.uni-hannover.de
Bild: IOP
