Photon, das Licht aussendet

Universität Leiden

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Ein Ph.D. Der Kandidat bei hat eine innovative Technik entwickelt, um die elementaren Bausteine ​​eines zukünftigen Quantencomputers oder Internets kontrollierter zu erstellen und damit eine mögliche Lösung für viele der Herausforderungen auf dem Weg zu dieser lang gesuchten Technologie zu eröffnen.

Petr Steindls Doktorarbeit, die er letzte Woche als letzten Schritt seiner Doktorarbeit verteidigte. Das Programm an der Universität Leiden in Deutschland erforscht eine neue Technik zur Erzeugung von Photonen mithilfe von Quantenpunkten und Mikrokavitäten.

„Einfach ausgedrückt ist ein Quantenpunkt eine kleine Insel aus halbleitendem Material“, sagte Steindl in einer Erklärung der Universität Leiden. „Da es nur wenige Nanometer groß ist, spürt es Quanteneffekte, genau wie ein Atom.“

Quantenpunkte, manchmal auch künstliche Atome genannt, bieten eine besser kontrollierbare Möglichkeit zur Erforschung von Quantenphänomenen und eignen sich daher ideal für die Aufgabe, einzelne Photonen aus einem Material zu emittieren.

Zu diesem Zweck platzierte Steindl diese halbleitende „Insel“ in einem Mikrohohlraum, einem Loch von nur wenigen Nanometern Durchmesser, sodass nur Licht bestimmter Wellenlängen durchgelassen werden kann.

„Man kann sich diesen Hohlraum wie zwei einander zugewandte Spiegel vorstellen“, sagte Steindl. „Laserlicht springt zwischen ihnen hin und her. Der Quantenpunkt interagiert nicht gern mit Licht, aber der optische Hohlraum macht dies wahrscheinlicher, da der Laser den Punkt viele Male passiert.“

Dieses Licht interagiert schließlich mit Elektronen im Quantenpunkt, und hier wird es für Quantencomputerforscher interessant.

„Der resonante Laser regt ein Elektron im Quantenpunkt von seinem Grundenergiezustand in einen höheren an“, sagte Steindl. „Wenn der Quantenpunkt in den Grundzustand zurückfällt, sendet er ein einzelnes Photon aus. Die Mikrokavität leitet dieses Photon bequem zum Rest unseres Aufbaus.“

Die Trennung des Photons vom Laser ist eine Herausforderung, da es die gleiche Wellenlänge wie der Laser hat, aber das kann laut Steindl auch gelöst werden.

„Die Herausforderung besteht jedoch darin, dieses Photon vom Laserlicht zu trennen. Er hat die gleiche Wellenlänge wie der Laser, aber eine etwas andere Polarisation. Diese Eigenschaft kann man nutzen, um das Photon zu isolieren.“

Einzelne Photonen können dann in allen möglichen anderen Technologien verwendet werden, insbesondere in Quantencomputeranwendungen, bei denen einzelne Photonen starke Quanteneffekte haben können.

„Wir wissen, dass einzelne Photonen für Sicherheit und Authentifizierung nützlich sind“, sagte Steindl. „Man kann zum Beispiel zwei identische Einzelphotonen von verschiedenen Orten auf einen Strahlteiler schicken. Wenn diese Photonen in einem veränderten Zustand oder nicht gleichzeitig eintreffen, wissen Sie, dass es einen Abhörer gab.“

„Ich finde es total toll, diese leichten Strukturen zu bauen“, fügte Steindl hinzu. „Die Tatsache, dass dies überhaupt möglich ist, ist verblüffend. Dass wir die Physik auf einer so tiefen Ebene verstehen können. Obwohl es faszinierend ist, erscheint mir das Potenzial für Quantenanwendungen fast wie ein Nebeneffekt.“