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 Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik