Quantencomputer: Drei Komponenten auf einem Chip

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Photonischer Schaltkreis, in dem Einzelphotonen geführt und auf zwei Wellenleiter-Arme aufgeteilt werden. Die Detektion erfolgt direkt auf dem Chip mittels integrierter Detektoren am Ende der beiden Arme, die reflektierenden Metallschichten dienen der Unterdrückung des Streulichts des Anregungslasers.
Photonischer Schaltkreis, in dem Einzelphotonen geführt und auf zwei Wellenleiter-Arme aufgeteilt werden. Die Detektion erfolgt direkt auf dem Chip mittels integrierter Detektoren am Ende der beiden Arme, die reflektierenden Metallschichten dienen der Unterdrückung des Streulichts des Anregungslasers. (Bild: Universität Stuttgart / Mario Schwartz)

Wissenschaftler der Universität Stuttgart und des KIT integrieren Einzelphotonenquellen, Strahlteiler und Einzelphotonendetektoren auf einem einzelnen Chip und legen so den Grundstein, für komplizierte Quanten-Systeme.

Quantencomputer sollen bestimmte Rechenprobleme einmal sehr viel schneller lösen können als ein klassischer Computer. Einer der vielversprechendsten Ansätze basiert dabei auf der Verwendung einzelner Photonen zur Übertragung und Verarbeitung von Quanteninformation.

Forschenden der Universität Stuttgart und des Karlsruher Institutes für Technologie (KIT) ist es erstmals gelungen, drei notwendige Hauptkomponenten (Einzelphotonenquellen, Strahlteiler und Einzelphotonendetektoren) auf einem einzigen Chip zu integrieren und diesen auf dem Level einzelner Photonen zu betreiben.

Dieses Experiment demonstriert die Funktionstüchtigkeit der grundlegenden Komponenten und legt den Grundstein für komplizierte Systeme. Die Ergebnisse wurden in den „Nano Letters“ veröffentlicht.

GaAs-Plattform statt Siliziumtechnologie

Im Gegensatz zur weit verbreiteten Siliziumtechnologie wurde das Experiment auf Galliumarsenid-Basis (GaAs) durchgeführt. Dies ermöglicht die direkte Einbindung von nanometergroßen Strukturen, sogenannten Quantenpunkten (englisch: quantum dots, QDs), welche als effiziente On-Demand-Quellen von Einzelphotonen dienen.

Zusätzlich erlaubt die GaAs-Plattform, die Einzelphotonen zu optischen Logik-Schaltkreisen und speziellen Detektoren aus supraleitenden Nanodrähten zu leiten, welche auf demselben Chip platziert werden können. Im vorgestellten Experiment wurden von einem optisch gepumpten Quantenpunkt emittierte Einzelphotonen in einem photonischen Wellenleiter geführt und von einem Strahlteiler in zwei mit jeweils einem Detektor ausgerüstete Wellenleiterarme aufgeteilt.

„Eine der bisherigen Herausforderungen in einem solchen komplett auf einem Chip durchgeführten Experiment war die Nähe des Anregungslasers zu den Detektoren auf dem Chip“, erklärt Mario Schwartz. Der Doktorand am Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) der Universität Stuttgart hat über die letzten Jahre an einem Grundsatz-Experiment gearbeitet, um zu zeigen, dass alle Hauptkomponenten auf einem einzigen photonischen Chip kombiniert werden können.

Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Ekkehart Schmidt durchgeführt, einem Doktoranden des KIT, der ein Experte für das Design und die Implementierung der On-Chip Detektoren ist. „Die Detektoren können nicht unterscheiden, welche Photonen vom Laser und welche vom Quantenpunkt kommen, was zu unerwünschten Detektionen führt“, hebt Schmidt hervor.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, den Einfluss der Laserphotonen deutlich zu verringern, indem sie reflektierende Metallschichten auf dem Chip platzierten. Diese Idee ermöglichte es, die quantenmechanische Natur der QD-Emission zu zeigen, wobei nur die On-Chip Komponenten verwendet wurden.

„Das erfolgreiche Experiment ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung und zeigt das Potential von komplett integrierten photonischen Schaltkreisen mit allen Hauptkomponenten auf einem einzigen Chip. Wir sehen klare Möglichkeiten, die Komplexität des Chips in naher Zukunft zu erhöhen“, sagt Prof. Dr. Peter Michler, der Leiter des IHFG der Universität Stuttgart.

Originalveröffentlichung:
M. Schwartz et. al: Fully On-Chip Single-Photon Hanbury-Brown and Twiss Experiment on a Monolithic Semiconductor–Superconductor Platform; Nano Lett., 2018, 18 (11), pp 6892–6897; DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02794

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