Auf dem Weg zum Quantenrechner

Erster quantenphotonischer Schaltkreis mit elektrischer Lichtquelle

| Autor / Redakteur: Nature Photonics* / Rainer Graefen

Kohlenstoff-Röhrchen (Mitte) als Photonen-Quelle und supraleitende Nanodrähte als Empfänger bilden einen Teil des optischen Chips.
Kohlenstoff-Röhrchen (Mitte) als Photonen-Quelle und supraleitende Nanodrähte als Empfänger bilden einen Teil des optischen Chips. (Bild: W. Pernice/ WWU)

Forschern ist es gelungen, einen vollständigen quantenoptischen Aufbau auf einem Chip zu platzieren, so dass nun alle Elemente elektrisch ansteuerbar sind. Das ist ein erster Schritt, um mit photonischen Schaltkreisen die Entwicklung von optischen Quantenrechnern zu vereinfachen.

Ob für eine abhörsichere Datenverschlüsselung oder um große Datenmengen schnell zu berechnen: Für solche Aufgaben gelten Quantenrechner als Hoffnungsträger für die Computertechnik von morgen. Forschern ist es nun gelungen, einen vollständigen quantenoptischen Aufbau auf einem Chip zu platzieren. Damit ist eine Voraussetzung erfüllt, um photonische Schaltkreise für optische Quantencomputer nutzbar machen zu können.

Bisher nehmen Forschungen zur Anwendbarkeit optischer Quantentechniken ganze Laborräume in Anspruch. Allerdings ist es notwendig, sie auf kleinsten Raum unterzubringen, damit die Technik sinnvoll eingesetzt werden kann. Wissenschaftler aus Deutschland, Polen und Russland unter Federführung der Professoren Wolfram Pernice von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und Ralph Krupke, Manfred Kappes und Carsten Rockstuhl vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) waren an der Studie beteiligt.

Nanoröhren aus Kohlenstoff

Als Lichtquelle für den quantenphotonischen Schaltkreis nutzten die Forscher erstmals spezielle Nanoröhren aus Kohlenstoff. Diese haben einen hunderttausendmal kleineren Durchmesser als ein menschliches Haar und geben einzelne Lichtteilchen ab, wenn sie mit Laserlicht angeregt werden. Lichtteilchen (Photonen) werden auch Lichtquanten genannt, daher der Begriff "Quantenphotonik".

Dass die Kohlenstoff-Röhrchen einzelne Photonen abgeben, macht sie als ultra-kompakte Lichtquelle für optische Quantenrechner attraktiv. "Allerdings ist es nicht ohne Weiteres möglich, die Lasertechnik auf einem skalierbaren Chip unterzubringen", gibt Physiker Wolfram Pernice zu bedenken. Die Skalierbarkeit eines Systems, also die Möglichkeit, Bauteile zu miniaturisieren, um die Stückzahl erhöhen zu können, ist jedoch Voraussetzung, um die Technik für leistungsfähige Computer bis hin zum optischen Quantencomputer einzusetzen.

Dadurch, dass auf dem nun entwickelten Chip alle Elemente elektrisch angesteuert werden, sind keine zusätzlichen Lasersysteme mehr nötig – eine deutliche Vereinfachung gegenüber der für gewöhnlich genutzten optischen Anregung. "Für die Forschung ist die Entwicklung eines skalierbaren Chips, auf dem Einzelphotonen-Quelle, Detektor und Wellenleiter kombiniert sind, ein wichtiger Schritt", betont Ralph Krupke, der am Institut für Nanotechnologie des KIT und am Institut für Materialwissenschaft der TU Darmstadt forscht. "Da wir zeigen konnten, dass auch durch die elektrische Anregung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen einzelne Photonen emittiert werden können, haben wir einen limitierenden Faktor überwunden, der einer möglichen Anwendbarkeit bislang im Wege stand."

Einzelne Lichtquanten werden emittiert

Zur Methodik: Die Wissenschaftler untersuchten, ob bei Stromfluss durch Kohlenstoff-Nanoröhren einzelne Lichtquanten emittiert werden. Dazu verwendeten sie Kohlenstoff-Nanoröhren als Einzelphotonenquellen, supraleitende Nanodrähte als Detektoren sowie nano-photonische Wellenleiter. Jeweils eine Einzelphotonenquelle und zwei Detektoren wurden mit einem Wellenleiter verbunden. Der Aufbau wurde mit flüssigem Helium gekühlt, um einzelne Lichtquanten zählen zu können. Die Chips wurden mit einem Elektronenstrahlschreiber erzeugt.

Die Arbeit der Wissenschaftler ist Grundlagenforschung. Ob und wann sie zur Anwendung führt, ist noch nicht absehbar. Wolfram Pernice und die Erstautorin Svetlana Khasminskaya wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt, Ralph Krupke von der Volkswagen-Stiftung.

* Svetlana Khasminskaya, Felix Pyatkov, Karolina Słowik, Simone Ferrari, Oliver Kahl, Vadim Kovalyuk, Patrik Rath, Andreas Vetter, Frank Hennrich, Manfred M. Kappes, G. Gol'tsman, A. Korneev, Carsten Rockstuhl, Ralph Krupke & Wolfram H. P. Pernice (2016): Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source. Nature Photonics

Kommentare werden geladen....

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44294558 / Forschung u. Wissenschaft)