Paderborner Forscher*innen aus dem Department Physik und vom Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) haben im Rahmen eines innerhalb des Sonderforschungsbereichs/TRR 142 geförderten Projekts erfolgreich Quantenpunkte – nanoskopische Strukturen, in denen die Quanteneigenschaften der Materie zum Tragen kommen – hergestellt, die im optischen C-Band bei einer Wellenlänge zwischen 1530 bis 1565 Nanometer leuchten. Das Besondere ist, dass es damit zum ersten Mal gelungen ist, solche Quantenpunkte durch lokale Tröpfchenätzung und anschließendem Füllen der Nanolöcher im Indiumaluminiumarsenid/Indiumgalliumarsenid-System gitterangepasst auf Indiumphosphid-Substraten herzustellen. Diese Quantenpunkte können in der Zukunft beispielsweise als Quelle für verschränkte Photonen zum Einsatz kommen, was für neuartige Verschlüsselungssysteme durch Quantentechnologien relevant werden kann. Besonders wichtig ist dabei die Lumineszenz im optischen C-Band: Bei dieser Wellenlänge ist die Abschwächung im Glasfasernetzwerk minimal, sodass ein möglicher Einsatz in der Zukunft mit dem aktuellen Netzwerk möglich ist. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler*innen nun in dem Journal „AIP Advances“ veröffentlicht.
Das Team um Dennis Deutsch, Christopher Buchholz, Dr. Viktoryia Zolatanosha, Prof. Dr. Klaus Jöns und Prof. Dr. Dirk Reuter hat dafür nanoskopische Löcher in eine Indiumaluminiumarsenid-Oberfläche geätzt und diese mit Indiumgalliumarsenid gefüllt. „Ein kritischer Punkt bei der Herstellung von Quantenpunkten, wenn diese für die Erzeugung verschränkter Photonen eingesetzt werden sollen, ist die Gitteranpassung. Ist diese nicht gegeben, kommt es zu Verspannungen im Quantenpunkt, was die quantenmechanische Verschränkung der erzeugten Photonen auflösen kann“, erklärt Dennis Deutsch. Die Herstellung der Quantenpunkte durch das Füllen von tropfengeätzten Löchern ist nicht neu, aber anders als in vorherigen Arbeiten haben die Forscher*innen eine Gitteranpassung auf Indiumphosphid anstatt Galliumarsenid genutzt. Durch den Materialwechsel ist es gelungen, die Emission im C-Band zu erzielen. Neben der Gitteranpassung der Materialien ist auch die Symmetrie der Quantenpunkte ein wichtiger Faktor für deren Eignung als Quellen für verschränkte Photonen. Daher wurden in der Veröffentlichung auch zahlreiche Löcher, die bei unterschiedlichen Parametern hergestellt wurden, statistisch ausgewertet und auf deren Symmetrie untersucht.
Bis zur technischen Anwendung ist es zwar noch ein weiter Weg, aber das Potenzial dieser Methode zur Herstellung von Quantenpunkten zeigt sich bereits jetzt. Denn: Quantencomputer werden klassischen Computern in der Zukunft bei Verschlüsselungen vermutlich deutlich überlegen sein. Gerade das Phänomen der Verschränkung ist ein vielversprechender Ansatz, um verschlüsselte Daten sicher auszutauschen, da jeder Abhörversuch aufgrund physikalischer Prinzipien enttarnt wird. Da der Austausch verschränkter Photonen über Glasfaserleitungen erfolgt, ist eine möglichst verlustarme Übertragung essenziell. „Die Erzeugung von Photonen im besonders verlustarmen optischen C-Band ist daher ein wesentlicher Schritt zur Verschlüsselung mithilfe verschränkter Photonen“, fasst Deutsch zusammen.
