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Ultradünne Materialien könnten Quantenchips programmierbar machen
Photonische Quantenschaltungen sind bislang meist auf eine feste Funktion zugeschnitten. Eine neue Fachübersicht zeigt, wie ultradünne van-der-Waals-Materialien künftig Lichtquellen, Modulatoren und weitere Bauteile auf einem Chip veränderbar machen könnten. Besonders zweidimensionale Kristalle gelten als vielseitige Kandidaten, erreichen bei wichtigen Eigenschaften aber noch nicht die Leistung etablierter Quantentechnologien.
Canberra (Australien). Integrierte Quantenphotonik bringt Lichtquellen, Wellenleiter, Schaltelemente und Detektoren auf engem Raum zusammen. Einzelne Bausteine wie integrierte Quantenlichtquellen sind bereits demonstriert, doch viele photonische Quantenschaltungen bleiben nach ihrer Herstellung auf eine bestimmte Funktion festgelegt. Für flexibel einsetzbare Quantenprozessoren müssten sich mehrere Komponenten dagegen schnell und gezielt neu konfigurieren lassen.
Forscher der University of Technology Sydney (UTS) um Prof. Igor Aharonovich haben nun den Stand programmierbarer integrierter Quantenphotonik ausgewertet. Die begutachtete Fachübersicht ordnet abstimmbare Lichtquellen, Phasenschieber, Modulatoren, optische Verbindungen und Detektoren danach ein, wie sie sich zu flexibel steuerbaren Schaltungen verbinden lassen könnten.
Photonen eignen sich für solche Systeme, weil sie ihre Quantenzustände vergleichsweise gut bewahren und Informationen in mehreren Freiheitsgraden tragen können. Die zentrale Herausforderung liegt deshalb weniger in einem einzelnen fehlenden Bauteil als in der gleichzeitigen Steuerung vieler Funktionen auf demselben Chip.
„Programmierbare quantenphotonische Systeme sind eine wichtige künftige Entwicklung für das Zentrum“, erklärt Prof. Dragomir Neshev von der Australian National University (ANU).
Eine programmierbare Plattform müsste beispielsweise die Wellenlänge einer Quelle verändern, ihre Polarisation einstellen und die erzeugten Photonen anschließend zu unterschiedlichen Detektoren leiten können. Solche Fähigkeiten könnten künftig verteiltes Quantenrechnen oder photonische Quantennetze unterstützen, sind aber noch kein fertiges Gesamtsystem.
Besonders interessant sind van-der-Waals-Kristalle, deren atomar dünne Schichten nur schwach aneinander gebunden sind. Ihre optischen Eigenschaften lassen sich verändern, indem einzelne Lagen anders gestapelt oder gegeneinander verdreht werden. Mikroskopische elektromechanische Systeme könnten diese Abstimmung auch direkt auf einem Chip übernehmen.
„Es ist bemerkenswert, wie viel Kontrolle allein dadurch möglich ist, dass man verändert, wie diese ultradünnen Materialien übereinandergestapelt werden“, sagt Prof. Kenneth B. Crozier von der University of Melbourne.
Für programmierbare Quantenschaltungen reicht diese Einstellbarkeit allein jedoch nicht aus. Eine Lichtquelle muss unter anderem Frequenz, Phase und Polarisation zuverlässig kontrollierbar machen und zugleich Photonen mit hoher Reinheit und Kohärenz liefern. Bei Helligkeit, Photonenreinheit und Kohärenz liegen van-der-Waals-Kristalle nach Einschätzung der Autoren bislang hinter etablierten Quellen wie Quantenpunkten und Farbzentren.
Ein weiterer Engpass ist die dynamische Modulation von Licht auf dem Chip. Herkömmliche Verfahren zur Veränderung von Phase und Frequenz können vergleichsweise groß, verlustreich oder langsam sein. Für eine skalierbare Plattform wären dagegen eine effiziente Ein- und Auskopplung von Licht sowie energiesparende und sehr schnelle Schaltvorgänge nötig.