Jena / 3. September 2024
Kleine Quantenquelle mit großem Potential
Durchbruch in der Quantenoptik: Miniaturisierte Quelle für verschränkte Photonenpaare
Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern des Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist ein bedeutender Fortschritt in der Quantenoptik gelungen. Mit Hilfe von sogenannten 2D-Materialien entwickelten die Forschenden eine neuartige Methode zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren. Ihre Ergebnisse haben sie nun in einem Beitrag im renommierten Nature Communications Journal veröffentlicht.
Forschende aus Jena, Canberra und Darmstadt haben eine Quelle für verschränkte Photonenpaare entwickelt, die bemerkenswert klein ist. Gerade einmal 10x10x10 Mikrometer umfasst das System. Mit diesen Abmessungen ließe es sich problemlos in kompakte Geräte integrieren. Dies ist im Vergleich zu herkömmlichen Quantenquellen, die oft deutlich größer und in der Handhabung komplexer sind, ein entscheidender Vorteil. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nun in dem renommierten Nature Communications Journal veröffentlicht.
Die Forschenden nutzen in der miniaturisierten Quantenquelle die speziellen Eigenschaften eines zweidimensionalen Materials zur Verschränkung der Photonen. Der verwendete Kristall kann von Natur aus verschränkte Photonen erzeugen, ohne dass zusätzliche Bauteile benötigt werden. Durch einen Pumplaser kann außerdem die Art der Verschränkung der Photonenpaare modifiziert werden. Das ermöglicht es dem System extrem klein und dennoch ebenso effizient zu sein.
Künstlerische Darstellung der mikroskopischen Quelle für verschränkte Photonen. Ein Laser (grün) trifft auf einem MoS2-Kristall auf einem Substrat. Dieser emittiert verschränkte, langwellige Photonenpaare (rot).
Quantensystem für tragbare Geräte
Die Möglichkeit, verschränkte Photonenpaare in einem so kleinen Maßstab und mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen, könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkommunikationssystemen haben. Insbesondere für die mobile Kommunikation und tragbare Geräte eröffnet sich hier ein neues Feld, das bislang aufgrund der Größe und Komplexität der benötigten Technologie unerschlossen blieb.
Die Ergebnisse markieren einen bedeutenden Schritt in Richtung praktikabler Anwendungen der Quantenoptik und könnten die Grundlage für zukünftige Entwicklungen in der sicheren Datenübertragung bilden.
Nächstes Forschungsziel ist, die Erzeugungsrate durch Quasi-Phasenanpassung zu erhöhen und die Quelle in monolithische Hohlräume mit hoher Güte zu integrieren, um die Paarerzeugungsrate zu verbessern. Auch soll die Integration dieser Quellen in photonische Chips erforscht werden, um Miniaturgeräte zur Quantenschlüsselübertragung (QKD) zu entwickeln. Darüber hinaus soll die Verwendung neuartiger Materialien und Meta-Oberflächen untersucht werden, um noch vielseitigere Quellen zu schaffen.
Technischer Durchbruch dank globaler Zusammenarbeit
Die Forschungsarbeit ist das Ergebnis einer produktiven Zusammenarbeit zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena, in Kooperation mit Forschenden des Fraunhofer IOF, der Australian National University in Canberra und zusätzlichen Beiträgen der Technischen Universität Darmstadt. Diese internationale Kooperation im Rahmen des Projektes IRTG MetaActive unterstreicht die Bedeutung von globaler Zusammenarbeit in der Wissenschaft, um technologische Durchbrüche zu erzielen.
Originalpublikation
Weissflog, M.A., Fedotova, A., Tang, Y. et al. A tunable transition metal dichalcogenide entangled photon-pair source. Nat Commun 15, 7600 (2024). URL: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51843-3