Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenkommunikation: Jedes Photon zählt

21.01.2013
Ultraschnelle, effiziente und zuverlässige Einzelphotonendetektoren sind begehrte und dennoch bis heute noch nicht anwendungsreife Komponenten in der Photonik und der Quantenkommunikation.
Der Quantenphotoniker Dr. Wolfram Pernice vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erzielte nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Yale, Boston und Moscow State Pedagogical den entscheidenden Durchbruch mit einem direkt in den Chip integrierten Einzelphotonendetektor. Der Detektor schafft gleichzeitig höchste Wiedergabetreue und Auswertungsgeschwindigkeit und hat eine nur sehr geringe Fehlerquote. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht (doi:10.1038/ncomms2307).

Ohne eine zuverlässige Detektion, also einer sicheren und schnellen Erfassung einzelner Photonen, lassen sich die neuesten Weiterentwicklungen im Bereich der optischen Datenübertragung oder der Quantencomputer nicht wirklich nutzen. Das ist, als ob man bei einem herkömmlichen Rechner keinen Analog-Digital-Wandler hätte, um zu erkennen, ob die anliegende Spannung für eine 0 oder 1 steht. Obwohl in den vergangenen Jahren bereits verschiedene Modelle von Einzelphotonendetektoren entwickelt wurden, konnte bislang keiner wirklich zufriedenstellend eingesetzt werden.

Gleich mehrere neue Ideen und Weiterentwicklungen flossen in den im Rahmen des Projekts „Integrated Quantum-Photonics“ am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) entwickelten Prototypen ein. Der neue im Wellenlängenbereich der Telekommunikation erprobte Einzelphotonendetektor erreicht eine Entdeckungseffizienz von 91 Prozent. Dieses Niveau war bisher unerreicht.

Fünf Faktoren überzeugen beim neuen Einzelphotonendetektor: 91% Entdeckungseffizienz, direkte Integration auf dem Chip, Zählraten im Gigahertztempo, hohe zeitliche Auflösung und vernachlässigbare Dunkelzählraten

Quelle: KIT/CFN

Der Clou sind die supraleitenden Nanodrahtdetektoren, die direkt auf einem nanophotonischen Wellenleiter aufgebracht werden. Bildlich darf man sich das wie eine lichtleitende Röhre vorstellen, um die ein Draht gewickelt ist, der sich im supraleitenden Zustand befindet und deswegen keinerlei elektrischen Widerstand aufweist. Der nanometerdünne Draht aus Niobnitrid absorbiert Photonen, die sich entlang des Wellenleiters ausbreiten. Wird ein Photon absorbiert, kommt es zum Verlust der Supraleitung, was sich als elektrisches Signal bemerkbar macht. Je länger diese Röhre ist, desto größer ist die Detektionswahrscheinlichkeit - dabei handelt es sich von Längen im Mikrometerbereich.

Eine weitere Besonderheit des Detektors ist, dass er direkt auf dem Chip installiert ist und somit beliebig vervielfältigt werden kann. Die bisher realisierten Einzelphotonendetektoren waren eigenständige Einheiten, die „vor den Chip geschaltet“ wurden. Eine solche Anordnung hat den großen Nachteil, dass Photonen in der zusätzlich benötigten Faserverbindung verloren gehen oder anderweitig absorbiert werden. Bei dem nun vollständig in den Silizium-Schaltkreis für Photonen eingebetteten Detektor entfällt diese Verlustquelle. Das führt neben der hohen Entdeckungseffizienz zu einer bemerkenswert niedrigen Dunkelzählrate. Bei einer Dunkelzählung handelt es sich um ein fälschlich detektiertes Photon, beispielsweise infolge einer spontanen Emission, eines Alphateilchens oder eines Störfeldes. Die Konstruktion ermöglicht auch eine ultrakurze Genauigkeitsschwankung von 18 Picosekunden, also 18 mal 10^-12 Sekunden, bei der Übertragung der Datensignale.

Die neuartige Lösung ermöglicht es darüber hinaus, mehrere Hunderte dieser Detektoren auf einem einzelnen Chip zu integrieren. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die künftige Nutzung in optischen Quantenrechnern.

Der in dieser Studie demonstrierte Detektor wurde mithilfe von Wellenlängen in Telekom-Bandbreite analysiert. Dieselbe Detektorarchitektur kann aber auch für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Licht eingesetzt werden. Damit könnte das Prinzip für die Analyse all solcher Strukturen eingesetzt werden, die wenig Licht – also Photonen – emittieren, beispielsweise einzelne Moleküle oder Bakterien.
Vita Dr. Wolfram Pernice

Dr. Wolfram Pernice studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg. Aufgrund seiner herausragenden Studienleistung wurde der e-Fellow während seiner Studienzeit durch ein Baden-Württemberg-Stipendium gefördert. Ausgestattet mit einem Forschungsstipendium des britischen Engineering and Physical Sciences Research Council promovierte er anschließend in England an der Universität von Oxford über die Entwicklung von effizienten numerischen Methoden für die Simulation photonischer Geräte. Nach der Erlangung seines Doktorgrades im Jahr 2007 wechselte er Anfang 2008 von England in die USA an die Yale University, wo er in der Gruppe von Hong Tang - mit einem Humboldt-Stipendium gefördert - nanooptomechanische Systeme analysierte. Im Sommer 2011 erhielt Pernice die Zusage der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Leitung einer Emmy-Noether Nachwuchsgruppe. Seine Forschungsarbeit über integrierte quantenoptische und nanooptomechanische Systeme hatte die Kommission überzeugt. Als Emmy-Noether-Stipendiant konnte er sich seinen neuen Wirkungsort aussuchen und entschied sich für das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Hier ist er nun seit Oktober 2011 Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Nanotechnologie (INT). Aktuell konnte er zum Jahresanfang für seine internationale Forschungsarbeit zusätzlich eine ‚Helmholtz International Research Groups‘-Unterstützung einwerben, die er dafür nutzen möchte, sein Karlsruher Team um einen weiteren Doktoranden zu ergänzen.
Das DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) hat sich einem wichtigen Bereich der Nanotechnologie verschrieben: den funktionellen Nanostrukturen. Ziel ist es durch exzellente interdisziplinäre und internationale Forschung Nano-Strukturen mit neuen technologischen Funktionen darzustellen sowie den ersten Schritt von der Grundlagenforschung zur Anwendung zu gehen. Zurzeit arbeiten in Karlsruhe mehr als 250 Wissenschaftler und Techniker über das CFN vernetzt in mehr als 80 Teilprojekten zusammen. Der Fokus liegt auf den Bereichen Nano-Photonik, Nano-Elektronik, Molekulare Nanostrukturen, Nano-Biologie und Nano-Energie. http://www.cfn.kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Weiterer Kontakt:

Tatjana Erkert
DFG-Centrum für Funktionelle
Nanostrukturen (CFN)
http://www.cfn.kit.edu
Tel.: +49 721 608-43409
Fax: +49 721 608-48496
E-Mail: tatjana.erkert@kit.edu

Monika Landgraf | idw
Weitere Informationen:
http://www.cfn.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Drei Generationen an Sternen unter einem Dach
27.07.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Physiker designen ultrascharfe Pulse
27.07.2017 | Universität Innsbruck

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Basis für neue medikamentöse Therapie bei Demenz

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Aus Potenzial Erfolge machen: 30 Rittaler schließen Nachqualifizierung erfolgreich ab

27.07.2017 | Unternehmensmeldung

Biochemiker entschlüsseln Zusammenspiel von Enzym-Domänen während der Katalyse

27.07.2017 | Biowissenschaften Chemie