Ph.D. Kandidat Petr Steindl erzeugt aus einzelnen Photonen komplexe Lichtstrukturen. Als Teenager wollte er tschechische Poesie studieren, entschied sich aber für die Quantenphysik. „Rückblickend bin ich froh, dass ich den Fachbereich gewechselt habe“, sagt er. Am 5. Juli wird er seine Dissertation über Quantenoptik und Quantenpunktsysteme verteidigen.
„Einfach ausgedrückt ist ein Quantenpunkt eine kleine Insel aus halbleitendem Material“, sagt Steindl. „Da es nur wenige Nanometer groß ist, spürt es Quanteneffekte, genau wie ein Atom.“ Der Forscher platziert diesen Quantenpunkt in einer optischen Mikrokavität, um ihn effizienter zu manipulieren.
„Man kann sich diesen Hohlraum wie zwei einander zugewandte Spiegel vorstellen. Laserlicht springt zwischen ihnen hin und her. Der Quantenpunkt interagiert nicht gerne mit Licht, aber der optische Hohlraum macht es wahrscheinlicher, weil der Laser den Punkt viele Male passiert.“
Verwendung einzelner Photonen wie Ziegelsteine in einem Haus
Mit diesem genialen Gerät lassen sich einzelne Photonen erzeugen, erklärt Steindl. „Der Resonanzlaser regt ein Elektron im Quantenpunkt von seinem Grundenergiezustand in einen höheren an. Wenn es in den Grundzustand zurückfällt, emittiert der Quantenpunkt ein einzelnes Photon. Die Mikrokavität lenkt dieses Photon bequem auf den Rest unseres Aufbaus.“ . Die Herausforderung besteht jedoch darin, dieses Photon vom Laserlicht zu trennen. Es hat die gleiche Wellenlänge wie der Laser, aber eine etwas andere Polarisation. Diese Eigenschaft kann man nutzen, um das Photon zu isolieren. Während meiner Doktorarbeit habe ich Folgendes erforscht: hat diese Technik verbessert.“
Die Gewinnung der einzelnen Photonen war nur der erste Schritt in Steindls Forschung. „Wenn man hochwertige Einzelphotonen – Lichtteilchen – hat, ist das ein bisschen wie ein Ziegelstein“, sagt er. „Mit Ziegeln kann man mit dem Bau eines Hauses beginnen. Mein Ziel war es, einzelne Photonen zu kombinieren, um komplizierte Lichtstrukturen zu bilden. Wir haben zum Beispiel eine Kette aus mehreren verschränkten Photonen erstellt. Verschränkt bedeutet, dass sie so eng miteinander verbunden sind, dass man es nicht kann „Beschreiben Sie ein Photon nicht mehr unabhängig vom anderen. Wir wollen diese neuen Lichtzustände besser verstehen.“
Die Physik einzelner Photonen
Die Einzelphotonenphysik ist ein relativ neues Gebiet. In den 1970er Jahren gelang es Physikern erstmals, ein Photon zu isolieren. Allerdings waren diese Einzelphotonenquellen noch nicht sehr effizient und robust. Technologische Entwicklungen wie der Einsatz von Quantenpunkten in optischen Mikrokavitäten haben es einfacher gemacht, die Produktion einzelner Photonen zu kontrollieren.
Ein weiterer Vorteil der Mikrokavität besteht darin, dass das Photon mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird, wodurch sichergestellt wird, dass es seinen Zustand besser behält. Dadurch entstehen qualitativ hochwertige Einzelphotonen, die sich gut für die Strukturen eignen, an denen Steindl arbeitet.
Vorteile für Quantentechnologien
Die Vision sei, diese neuartigen Lichtstrukturen irgendwann für die Quantenkommunikation zu nutzen, sagt Steindl. „Wir wissen, dass einzelne Photonen für Sicherheit und Authentifizierung nützlich sind. Sie können beispielsweise zwei identische einzelne Photonen von verschiedenen Orten auf einem Strahlteiler senden. Wenn diese Photonen in einem veränderten Zustand oder nicht gleichzeitig eintreffen, wissen Sie, dass es sich um einen Abhörer handelte.“ “
Die Forschung könnte sich auch für den Bau von Quantencomputern als nützlich erweisen. Eine grundlegende Komponente ist ein Quantengatter, aber es ist schwierig, sie herzustellen. Bei den Strukturen, an denen Steindl arbeitet, wird das nicht nötig sein.
„Ich finde es total toll, diese Lichtstrukturen zu bauen“, sagt Steindl. „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. Wechsel von Von der Literatur zur Quantentheorie war das vielleicht ein großer Schritt, aber es war aufregend genug, um mehrere Jahre daran zu arbeiten, und ich bin noch nicht müde davon.“