Ein neuer Studie In Naturphysik demonstriert eine neuartige Methode zur Erzeugung von Quantenverschränkung mithilfe eines Quantenpunkts, die die Bell-Ungleichung verletzt. Diese Methode verwendet ultraniedrige Leistungspegel und könnte den Weg für skalierbare und effiziente Quantentechnologien ebnen.
Quantenverschränkung ist eine Voraussetzung für Quantencomputertechnologien. Bei diesem Phänomen werden Qubits (Quantenbits) – die Bausteine von Quantencomputern – unabhängig von ihrer physischen Entfernung miteinander korreliert.
Das bedeutet, dass die gemessene Eigenschaft eines Qubits Auswirkungen auf das andere Qubit hat. Die Quantenverschränkung wird durch die Bell-Ungleichung nachgewiesen, ein Theorem, das die Gültigkeit der Quantenmechanik durch die Messung verschränkter Qubits testet.
Phys.org sprach mit dem Erstautor der Studie, Dr. Shikai Liu vom Niels-Bohr-Institut an der Universität Kopenhagen in Dänemark. Dr. Lius Interesse an Quantenpunkten rührte aus seiner früheren Arbeit mit traditionellen Verschränkungsquellen.
Er sagte gegenüber Phys.org: „Während meiner Promotion habe ich an der Erzeugung verschränkter Lichtquellen mithilfe spontaner parametrischer Down-Conversion (SPDC) gearbeitet. Die inhärente schwache Nichtlinearität von Volumenkristallen erschwerte jedoch die vollständige Nutzung der Pumpphotonen. Die enorme Nichtlinearität auf Einzelphotonenebene von Quantenpunkten erregte meine Aufmerksamkeit und führte mich zu dieser Forschung.“
Die Bell-Ungleichung
Wie bereits erwähnt, ist die Bell-Ungleichung das Herzstück dieser Forschung. Dieser mathematische Ausdruck wurde 1964 vom Physiker John Stewart Bell vorgeschlagen und hilft dabei, zwischen klassischem und Quantenverhalten zu unterscheiden.
In der Quantenwelt können Teilchen stärkere Korrelationen aufweisen als in der klassischen Welt. Die Bell-Ungleichung liefert einen Schwellenwert: Wenn die Korrelationen diesen Schwellenwert überschreiten, sind die Korrelationen quantenartiger Natur, was auf eine Quantenverschränkung hindeutet.
Dr. Liu erläuterte: „Die Bell-Ungleichung unterscheidet zwischen klassischen und Quantenkorrelationen. Jede lokal realistische Theorie muss die Bedingung erfüllen: Alle gemessenen Korrelationen zwischen Teilchen müssen kleiner oder gleich zwei sein.“
Damit konnten die Forscher die Gültigkeit ihres Experiments beweisen und feststellen, ob der von ihnen konstruierte Aufbau eine Quantenverschränkung erzeugte. Der Aufbau selbst basierte auf Quantenpunkten und Wellenleitern.
Künstliche Atome auf einem Chip
Quantenpunkte sind nanometergroße Strukturen, die sich wie künstliche Atome verhalten. Im Grunde sind es Halbleiterchips, die Elektronen in ihrer Struktur einfangen.
Durch das Einfangen von Elektronen in einem kleinen Raum weisen diese quantisierte Energiezustände auf, wie sie es tun, wenn sie in Atomen eingeschlossen sind. Aus diesem Grund verhalten sich Quantenpunkte wie künstliche Atome.
Diese Quantenpunkte verhalten sich wie natürliche Atome als Zwei-Niveau-Systeme, haben aber den Vorteil, dass sie in einen Chip integriert werden können. Darüber hinaus können die Energieniveaus je nach Größe und Zusammensetzung des Quantenpunkts angepasst werden.
Quantenpunktsysteme können als Emittersysteme fungieren, das heißt, sie können einzelne Photonen mit hoher Effizienz emittieren. Unter bestimmten Bedingungen können die emittierten Photonen miteinander verschränkt werden.
Kopplung mit einem Wellenleiter
Um die Effizienz, Kohärenz und Stabilität der vom Quantenpunkt emittierten Photonen zu verbessern, koppelten die Forscher ihn mit einem photonischen Kristallwellenleiter.
Diese Materialien weisen eine periodische Struktur aus abwechselnden Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex auf. Dadurch kann Licht durch eine röhrenartige Struktur geleitet werden, die so dünn ist wie ein menschliches Haar.
Wellenleiter ermöglichen daher die Kontrolle und Manipulation der Lichtausbreitung hinsichtlich Richtung und Wellenlänge und verbessern so die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.
Das Erreichen einer effizienten Kopplung zwischen Wellenleiter und Quantenpunkt ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden.
„Um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu verbessern, haben wir einen photonischen Kristallwellenleiter hergestellt, der den Quantenpunkt stark einschließt“, erklärte Dr. Liu. „Dies führte nicht nur zu einer hohen Kopplungseffizienz des emittierten Lichts in den Wellenleiter (über 90 %), sondern auch zu einer Purcell-Verstärkung von 16, indem das Licht in der Nanostruktur verlangsamt und seine Wechselwirkungszeit mit dem Quantenpunkt verlängert wurde.“
Unter Purcell-Verstärkung versteht man das Phänomen, dass die Rate der spontanen Emission eines Quantenemitters (beispielsweise eines Quantenpunkts) zunimmt, wenn dieser in einen resonanten optischen Hohlraum oder in die Nähe einer strukturierten photonischen Umgebung gebracht wird.
Einfacher ausgedrückt: Purcell-Verstärkung steigert die Lichtemission von Quantenemittern, indem sie in Umgebungen platziert werden, die ihre Wechselwirkung mit Licht verstärken. Dies funktioniert, indem die Anzahl der verschiedenen Möglichkeiten, auf die Licht im Bereich um den Emitter emittiert werden kann, geändert wird.
Verletzung der Bell-Ungleichung
Das Team hatte außerdem mit einer schnellen Dephasierung (schnellem Kohärenzverlust) zu kämpfen, die durch thermische Schwingungen im Kristallgitter verursacht wurde. Diese Schwingungen stören die stabilen Quantenzustände der Teilchen und erschweren so die Aufrechterhaltung und genaue Messung ihrer Quanteneigenschaften.
Ihre Lösung bestand darin, den Chip auf frostige -269 °C abzukühlen, um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen dem Quantenpunkt und den Phononen im Halbleitermaterial zu minimieren.
Nachdem ihr Zwei-Niveau-Emittersystem zur Erzeugung der verschränkten Photonen eingerichtet war, verwendeten die Forscher zwei unsymmetrische Mach-Zehnder-Interferometer, um den CHSH-Test (Clauser-Horne-Shimony-Holt) der Bell-Ungleichung durchzuführen. Der CHSH-Test ist eine Form der Bell-Ungleichung.
Durch sorgfältiges Einrichten der Interferometerphasen maßen die Forscher die Franson-Interferenz zwischen den emittierten Photonen. Franson-Interferenz ist ein Interferenzmustertyp, der bei quantenoptischen Experimenten mit verschränkten Photonen beobachtet wird.
„Der bei unseren Messungen beobachtete S-Parameter von 2,67 ± 0,16 liegt deutlich über der Lokalitätsgrenze von 2. Dieses Ergebnis bestätigte die Verletzung der Bell-Ungleichung und validierte damit den mit unserer Methode erzeugten energiezeitlich verschränkten Zustand“, sagte Dr. Liu.
Dieser Verstoß ist entscheidend, da er die Quantennatur der Korrelationen zwischen den Photonen bestätigt.
Energieeffizienz und zukünftige Arbeit
Eines der herausragenden Merkmale ihres Zwei-Ebenen-Emitter-Aufbaus ist seine Energieeffizienz.
Die Verschränkung wurde bei Pumpleistungen von nur 7,2 Picowatt erzeugt, also etwa 1.000 Mal weniger als bei herkömmlichen Einzelphotonenquellen. Dieser ultra-niedrige Stromverbrauch in Kombination mit der On-Chip-Integration macht die Methode für praktische Quantentechnologien äußerst vielversprechend.
Dr. Liu sieht mehrere spannende Richtungen für die zukünftige Forschung. „Ein Ansatz ist die Erforschung komplexer photonischer Quantenzustände und Vielteilchenwechselwirkungen durch unelastische Streuung an mehreren Zwei-Niveau-Emittern“, schlug er vor. „Darüber hinaus wird die weitere Integration unserer Methode in kompatible photonische Schaltkreise mehr Funktionalitäten mit geringem Platzbedarf ermöglichen und vielseitige photonische Quantenanwendungen in den Bereichen Computer, Kommunikation und Sensorik verbessern.“
Mehr Informationen:
Shikai Liu et al, Verletzung der Bell-Ungleichung durch Photonenstreuung an einem Zwei-Niveau-Emitter, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02543-8
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