Cambridge – Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein Gerät als neue Quelle für Quantenlicht entwickelt. Es sendet einen Strom einzelner Photonen aus und könnte die Basis für optische Quantencomputer bilden. Mithilfe neuartiger Materialien, die als potenzielle neue Solar-Photovoltaik umfassend analysiert worden sind, zeigen die Wissenschaftler, dass Nanopartikel aus diesen Materialien einen Strom einzelner, identischer Photonen aussenden können. Die Ergebnisse sind in «Nature Photonics» erschienen.
Neue Quantencomputer
Obwohl es sich bei ihrer Arbeit um eine grundlegende Entdeckung dieser Materialien-Fähigkeiten handelt, könnte sie den Weg für neue Quantencomputer auf optischer Basis sowie für Quanten-Teleportationsgeräte für die Kommunikation ebnen. Die meisten Konzepte für Quantencomputer verwenden ultrakalte Atome oder Spins einzelner Elektronen als Quantenbits oder Qubits, die die Basis solcher Geräte bilden. Doch vor etwa 20 Jahren schlugen Forscher vor, Licht anstelle von physischen Objekten als grundlegende Qubit-Einheiten zu verwenden. Dadurch benötigt man keine komplexen, teuren Geräte mehr, um Qubits zu steuern und Datenverkehr zu ermöglichen, nur einfache Spiegel und optische Detektoren.
«Mit diesen Qubit-ähnlichen Photonen kann man mit einer ‹haushaltsüblichen› linearen Optik einen Quantencomputer bauen, vorausgesetzt, man verfügt über entsprechend vorbereitete Photonen», so MIT-Hauptautor Alexander Kaplan. Die Vorbereitung dieser Photonen sei der springende Punkt: Jedes müsse genau mit Quanteneigenschaften des vorherigen übereinstimmen. Sobald die perfekte Übereinstimmung erreicht sei, bestehe der wirklich grosse Paradigmenwechsel darin, keine ausgeklügelte Optik und Ausrüstung mehr zu brauchen, sondern nur einfaches Equipment. Nur das Licht selbst müsse besonders sein.
Eine spezielle Interaktion
MIT-Forscher Moungi Bawendi zufolge lässt man diese einzelnen Photonen, die identisch und nicht voneinander unterscheidbar sind, miteinander wechselwirken. Die Ununterscheidbarkeit sei entscheidend: Wenn man zwei Photonen hat und «alles an ihnen gleich ist und man nicht sagen kann, welches Nummer eins oder Nummer zwei ist, kann man sie nicht auf diese Weise verfolgen». Damit werde ihnen ermöglicht, auf eine spezifische, nicht klassische Weise zu interagieren.
Kaplan führt aus: «Wenn wir wollen, dass das Photon diese sehr spezifische Eigenschaft hat, dass es in Bezug auf Energie, Polarisation, räumlichen Modus, Zeit und all die Dinge, die wir quantenmechanisch kodieren können, sehr wohl definiert ist, müssen wir auch die Quelle quantenmechanisch definieren.» Die von den MIT-Forschern verwendete Quelle ist eine Form von Blei-Halogenid-Perowskit-Nanopartikeln. Dünne Schichten aus Blei-Halogenid-Perowskiten werden als potenzielle Photovoltaik der nächsten Generation weithin verfolgt – auch, weil sie viel leichter und einfacher zu verarbeiten sein könnten als die heutige Standard-Photovoltaik auf Siliziumbasis.
Hong-Ou-Mandel-Interferenz
Als Nanopartikel zeichnen sich Bleihalogenid-Perowskite durch ihre blitzschnelle kryogene Strahlungsrate aus, die sie von anderen kolloidalen Halbleiter-Nanopartikeln unterscheidet. Je schneller das Licht emittiert wird, desto wahrscheinlicher hat der Ausgang eine wohldefinierte Wellenfunktion. Die schnellen Abstrahlungsraten machen Bleihalogenid-Perowskit-Nanopartikel zum einzigartigen Element für die Emission von Quantenlicht. Um zu prüfen, ob die von ihnen erzeugten Photonen tatsächlich diese ununterscheidbare Eigenschaft haben, konnten Kaplan und Kollegen die Hong-Ou-Mandel-Interferenz zwischen zwei Photonen testen und auch nachweisen.
Dieses Phänomen ist für viele quantenbasierte Technologien wichtig. Daher ist der Nachweis seines Vorhandenseins laut Kaplan «ein Markenzeichen für die Bestätigung, dass eine Photonenquelle für diese Zwecke verwendet werden kann». Nur sehr wenige Materialien könnten Licht emittieren, das diesen Test erfüllt. Aktuell sei diese Arbeit «eine sehr interessante grundlegende Entdeckung», die die Möglichkeiten dieser Materialien aufzeige. «Die Bedeutung dieser Arbeit liegt darin, dass sie hoffentlich dazu anregt, sich mit der Frage zu befassen, wie man sie in verschiedenen Gerätearchitekturen weiter verbessern kann.» (pte/mc/ps)