Publikation in Science Advances über einen photonischen Chip
Physikern der Universit?t Paderborn ist es erstmals gelungen, Schlüsselbausteine der Quanten?photonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren und damit die Bündelung zweier einzelner Photonen – auch bekannt als Hong-Ou-Mandel-Experiment – zu demonstrieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger Quantentechnologien, die z. B. zur Synchronisation in der Quantenkommunikation, zum Aufbau von Quantensimulatoren oder für quantenbasierte Hochpr?zisionsmessungen ben?tigt werden. Einsatz finden die Technologien u. a. in der abh?rsicheren Kommunikation. Für die Realisierung des neuen Experiments ist das Team um die Leibniz-Preistr?gerin Prof. Dr. Christine Silberhorn der Universit?t Paderborn verantwortlich. Die theoretische Simulation wurde von den Gruppen um Prof. Dr. Polina R. Sharapova und Prof. Dr. Torsten Meier unterstützt. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Science Advances ver?ffentlicht.
?In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die ?bertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard, um die ben?tigten hohen Datentransferraten zu erzielen“, erkl?rt Silberhorn. Kurze Lichtpulse sind dabei die Informationstr?ger. Solch ein Lichtpuls besteht aus einer gro?en Anzahl von Photonen, der kleinsten Lichteinheit. ?Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den Quantencharakter der Photonen entstehen“, so die Wissenschaftlerin weiter. Daraus ergeben sich perspektivisch neue Anwendungen z. B. für die absolut abh?rsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer.
?Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Richtung w?hlen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, k?nnen sie sich entweder zusammenschlie?en, um dieselbe Richtung zu w?hlen, oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschlie?en und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren“, erkl?rt Silberhorn und erg?nzt: ?Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt wird“.
Weg für kommerzielle Anwendungen geebnet
Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien hat die Arbeitsgruppe von Silberhorn demonstriert, dass die Implementierung eines solchen quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip m?glich ist. Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches Netzwerk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden, und programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten Strahlteiler. Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die es erm?glichen, eine Zeitverz?gerung zwischen den Photonen einzustellen. Zu den Auswirkungen der Arbeit sagt Silberhorn: ?Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in einen einzigen Chip ist ein gro?er Schritt zur Miniaturisierung. Er ebnet den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien".
Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts ?Monolithische Integration einer parametrischen Photonenpaar-Quelle und eines Zwei-Photonen-Interferometers" gef?rdert und sind als Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs TRR 142 entstanden.
Link zur Ver?ffentlichung:
http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat1451
DOI: 10.1126/sciadv.aat1451
