Photonenpaare im Gleichschritt

Das Aussenden von Lichtteilchen (Photonen) ist ein zentraler Ansatz für die künftige Datenübertragung in superschnellen Quantencomputern oder abhörsicheren Netzen. Hierzu wird ein Quantenpunkt, ähnlich einem Atom, per Laser so lange angeregt, bis er die Energie in Form genau eines Lichtquants wieder abgibt und in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

Entscheidend ist dabei, dass die Differenz zwischen angeregtem und nicht angeregtem Zustand konstant ist, was aber in der Praxis Schwierigkeiten bereitet. Detaillierte Studien dieser so genannten Resonanzfluoreszenz sind ein Forschungsfeld des Teams von Prof. Peter Michler am Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Uni Stuttgart, das hierzu das Halbleitersystem Indium-Gallium-Arsenid untersucht. Anfang 2012 ist es dem Team erstmals gelungen, die Resonanzfluoreszenz von einzelnen Halbleiter-Quantenpunkten im Regime eines „Dressed States“, also im Verbund mit dem umgebenden Lichtfeld, quantenstatistisch im Detail zu studieren und dabei die Vorhersagen theoretischer Modelle zu verifizieren. *)

In der Theorie beschreibt ein „Dressed State“ den gemeinsamen Eigenzustand eines Zwei-Niveau-Quantenemitters und des ihn umgebenden, wechselwirkenden Lichtfeldes (Laser) im Fall hoher Anregungsintensitäten. In diesem Fall können Atom und Lichtfeld nicht mehr einzeln betrachtet werden, sondern als neuer Atom-Licht-Zustand, bei dem der Quantenemitter nicht mehr zwei Niveaus aufweist, sondern vier. Der Charakter einer so modifizierten Photonenquelle spiegelt sich in Form eines charakteristisch aufgespaltenen Drei-Linien-Spektrums („Mollow Triplets“) der Emission wider, das mittels hochauflösender Spektroskopie direkt beobachtet werden kann.

Ata Ulhaq und Kollegen am IHFG konnten nun aus dem „Dressed State“ einzelner Zwei-Niveau-Quantenemitter so genannte Zwei-Photonen-Kaskaden nachweisen. Solche Kaskaden bestehen aus abwechselnd einem hochenergetischen, roten Photon und einem niederenergetischen blauen. Für den Nachweis wurde die Emissionsstatistik von Photonen aus den beiden Nebenbanden des Drei-Linien-Spektrums im Detail untersucht. Jede dieser Banden zeigt für sich genommen Einzelphotonenemission, was mit der Theorie im Einklang steht. Zwischen den beiden Nebenbanden ergibt sich jedoch eine definierte zeitliche Abfolge in der Aussendung einzelner Lichtquanten. Dieser Prozess kann kontrolliert werden, indem man den anregenden Laser gegenüber der Resonanz des Quantenpunkts gezielt in Richtung Rot- oder Blauspektrum „verstimmt“.

Für die künftige Nutzung sind auf der Basis der Resonanz-Fluoreszenz einzelner Quantenpunkte erzeugte Zwei-Photonen-Emitter deshalb interessant, weil ihre Lichtemission gegenüber bisherigen Konzepten deutlich verbesserte Kohärenzeigenschaften aufweist. Dies ermöglicht es, zwei Photonen zeitlich geordnet gemeinsam auszusenden. Während das erste Photon einen Rechenalgorithmus anstößt, kann das zweite Photon den nächsten Rechenvorgang bereits „ankündigen“. Für das künftige Quantencomputing ist dies ein interessanter Ansatz, um die erhofften Geschwindigkeiten zu erzielen.

*) Über den Nachweis berichtete die Zeitschrift Nature Photonics im Februar 2012: http://dx.doi.org/ unter DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.23

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Dr. Sven Ulrich
Institut für Halbleiteroptik und Funktionale Grenzflächen
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