Forscher stellen erstmals tröpfchengeätzte Quantenpunkte her, die im optischen C-Band-Licht leuchten

Paderborner Forschern des Fachbereichs Physik und des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) ist es gelungen, Quantenpunkte – nanoskopische Strukturen, bei denen die Quanteneigenschaften des Materials zum Tragen kommen – herzustellen, die im optischen C-Band bei Wellenlängen von 1530 bis 1565 Nanometern leuchten .

Dies ist besonders besonders, da es das erste Mal ist, dass solche Quantenpunkte durch lokales Tröpfchenätzen und anschließendes Füllen von Nanolöchern in einem Indiumaluminiumarsenid/Indiumgalliumarsenid-System hergestellt werden, das gitterangepasst an Indiumphosphid-Substrate angepasst ist.

In Zukunft könnten diese Quantenpunkte beispielsweise als Quelle verschränkter Photonen genutzt werden, was für innovative Verschlüsselungssysteme mit Quantentechnologien relevant sein könnte. Besonders relevant ist hier die Lumineszenz im optischen C-Band: Die Verlangsamung in Glasfasernetzen ist bei dieser Wellenlänge minimal und ermöglicht eine mögliche zukünftige Nutzung mit dem aktuellen Netz. Ihre Ergebnisse haben die Forscher nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht AIP-Fortschritte.

Das Team, bestehend aus Dennis Deutsch, Christopher Buchholz, Dr. Viktoryia Zolatanosha, Prof. Dr. Klaus Jöns und Prof. Dr. Dirk Reuter, ätzte Nanolöcher in eine Indium-Aluminium-Arsenid-Oberfläche und füllte sie mit Indium-Gallium-Arsenid.

„Ein entscheidendes Element bei der Herstellung von Quantenpunkten, wenn diese zur Erzeugung verschränkter Photonen verwendet werden sollen, ist die Gitteranpassung. Wenn dies nicht durchgeführt wird, entsteht Spannung im Quantenpunkt, die die quantenmechanische Verschränkung der erzeugten Photonen auflösen kann.“ “ Denis Deutsch erklärt.

Die Herstellung von Quantenpunkten durch das Füllen von durch Tröpfchen geätzten Löchern ist nicht neu, doch anders als bei früheren Verfahren verwendeten die Forscher eine Gitteranpassung an Indiumphosphid anstelle von Galliumarsenid. Durch den Materialwechsel konnten sie eine Emission im C-Band erreichen. Neben gitterangepassten Materialien ist auch die Symmetrie von Quantenpunkten ein Schlüsselfaktor für ihre Eignung als Quelle verschränkter Photonen. In der Publikation wurden daher auch zahlreiche Löcher, die mit unterschiedlichen Parametern hergestellt wurden, statistisch ausgewertet und auf ihre Symmetrie hin untersucht.

Technisch umsetzbar ist das zwar noch lange nicht, aber die Methode zeigt bereits ihr Potenzial für die Herstellung von Quantenpunkten. Denn in Zukunft dürfte Quantencomputing herkömmlichen Computern in puncto Verschlüsselung weit überlegen sein.

Das Phänomen der Verschränkung ist ein vielversprechender Ansatz für den sicheren Austausch verschlüsselter Daten, da dank der Gesetze der Physik jegliche Abhörversuche entlarvt werden. Da verschränkte Photonen über Glasfaserkabel ausgetauscht werden, ist eine möglichst verlustarme Übertragung unerlässlich. „Die Herstellung von Photonen im besonders verlustarmen optischen C-Band ist daher ein großer Fortschritt in der Verschlüsselung mittels verschränkter Photonen“, schlussfolgert Deutsch.