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Neue Methode liefert nahezu ununterscheidbare Photonen für Quantenkommunikation
Photonen aus einer Biexziton-Kaskade sind normalerweise zeitlich miteinander verknüpft, was ihre Ununterscheidbarkeit begrenzt. Forschern ist es nun gelungen, den ersten Zerfall in einem Halbleiter-Quantenpunkt mit einem optischen Resonator gezielt zu beschleunigen. Dadurch erreichten sie für die beiden nacheinander erzeugten Photonen rohe Interferenzsichtbarkeiten von 90 ± 2 und 80 ± 6 Prozent.
Paderborn (Deutschland). Photonen eignen sich als Informationsträger für Quantennetzwerke, weil sich ihre Zustände kontrollieren und über große Distanzen übertragen lassen. Für viele Verfahren der Quanteninterferenz müssen verschiedene Lichtteilchen jedoch so gleichartig sein, dass sich grundsätzlich nicht feststellen lässt, von welcher Quelle oder welchem Emissionsvorgang ein einzelnes Photon stammt.
Bei Halbleiter-Quantenpunkten kann eine sogenannte Biexziton-Kaskade zwei Photonen nacheinander freisetzen. Dabei zerfällt zunächst ein doppelt angeregter Zustand in ein Exziton und anschließend das Exziton in den Grundzustand. Weil der Zeitpunkt des zweiten Zerfalls vom ersten abhängt, tragen die Photonen eine zeitliche Korrelation, die ihre Kohärenz und damit ihre Ununterscheidbarkeit begrenzt.
Forscher der Universität Basel um Timon L. Baltisberger haben nun untersucht, wie sich diese zeitliche Kopplung gezielt verändern lässt. Dafür nutzte das Team selbstorganisierte InGaAs-Quantenpunkte in einer abstimmbaren offenen Mikrokavität und regte die Biexziton-Kaskade optisch an. Durch die Kavität konnten die Wissenschaftler die Lebensdauer des ersten oder des zweiten Zerfalls gezielt verkürzen.
„Die sogenannte Biexziton-Kaskade in einem Halbleiter-Quantenpunkt emittiert auf Knopfdruck Photonen, welche für moderne Anwendungen hochinteressant sind. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Quantenpunkt doppelt angeregt wird und die Anregung dann zerfällt. Dadurch werden zwei Photonen erzeugt, eins nach dem anderen“, erklärt Timon L. Baltisberger.
Entscheidend ist der Purcell-Effekt, bei dem ein passend abgestimmter optischer Resonator die spontane Lichtemission eines Quantensystems beschleunigt. Das Team koppelte den Resonator gezielt an den Biexziton-Übergang und verkürzte damit die Lebensdauer des zuerst emittierten Photons. Das Verhältnis der beiden Zerfallszeiten ließ sich dabei über mehr als zwei Größenordnungen verändern.
Die Messungen folgten der quantenoptischen Vorhersage. War die Kavität auf den Biexziton-Übergang abgestimmt, erreichten die rohen Interferenzsichtbarkeiten 90 ± 2 Prozent für das erste und 80 ± 6 Prozent für das zweite Photon. Nach der Korrektur für den gemessenen Mehrphotonenanteil ergaben sich 94 ± 2 und 82 ± 6 Prozent.
Die Verbesserung betrifft damit nicht nur das zuerst emittierte Photon. Der schnellere erste Zerfall reduziert zugleich die zeitliche Unsicherheit des nachfolgenden Photons, sodass beide Lichtteilchen kohärenter werden. Wurde stattdessen der zweite Übergang beschleunigt, sanken die korrigierten Interferenzsichtbarkeiten auf 12 ± 3 beziehungsweise 15 ± 1 Prozent.
„Die Resultate zeigen eine exzellente Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage und weisen einen Weg, um Photonen mit noch höherer Ununterscheidbarkeit zu erzeugen. Sie demonstrieren, dass der Biexziton-Zerfall Photonen mit sehr hoher Qualität erzeugen kann – wenn man das System mit einer Kavität richtig steuert“, erklärt Prof. Dr. Richard Warburton von der Universität Basel.
Der Vergleich beider Abstimmungen bestätigt damit den zugrunde liegenden Mechanismus. Nicht allein die Qualität des Quantenpunkts entscheidet über die Interferenzfähigkeit der Photonen, sondern auch das Verhältnis der beiden Zerfallszeiten. Ein Resonator kann dieses Verhältnis so verschieben, dass die zeitliche Korrelation der Kaskade deutlich weniger ins Gewicht fällt.