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Fakultät für Naturwissenschaften
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Studierende der Fakultät für Naturwissenschaften

Foto: Universität Paderborn, Adelheid Rutenburges

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Neuartiger Schaltkreis für Quantenphotonik

Publikation in Science Advances über einen photonischen Chip

Physikern der Universität Paderborn ist es erstmals gelungen, Schlüsselbausteine der Quanten­photonik auf einen einzelnen Chip zu integrieren und damit die Bündelung zweier einzelner Photonen – auch bekannt als Hong-Ou-Mandel-Experiment – zu demonstrieren. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Etablierung neuartiger Quantentechnologien, die z. B. zur Synchronisation in der Quantenkommunikation, zum Aufbau von Quantensimulatoren oder für quantenbasierte Hochpräzisionsmessungen benötigt werden. Einsatz finden die Technologien u. a. in der abhörsicheren Kommunikation. Für die Realisierung des neuen Experiments ist das Team um die Leibniz-Preisträgerin Prof. Dr. Christine Silberhorn der Universität Paderborn verantwortlich. Die theoretische Simulation wurde von den Gruppen um Prof. Dr. Polina R. Sharapova und Prof. Dr. Torsten Meier unterstützt. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

„In modernen Kommunikationsnetzwerken ist die Übertragung von Licht über optische Glasfasern der etablierte Standard, um die benötigten hohen Datentransferraten zu erzielen“, erklärt Silberhorn. Kurze Lichtpulse sind dabei die Informationsträger. Solch ein Lichtpuls besteht aus einer großen Anzahl von Photonen, der kleinsten Lichteinheit. „Unter Verwendung von nur wenigen oder sogar einzelnen Photonen offenbaren sich faszinierende Effekte, die durch den  Quantencharakter der Photonen entstehen“, so die Wissenschaftlerin weiter. Daraus ergeben sich perspektivisch neue Anwendungen z. B. für die absolut abhörsichere Quantenkommunikation oder zukünftige Quantencomputer.

„Wenn ein Photon auf einen Strahlteiler trifft, kann es nur eine Richtung wählen. Wenn sich zwei Photonen an einer Kreuzung treffen, können sie sich entweder zusammenschließen, um dieselbe Richtung zu wählen, oder alleine in unterschiedlichen Richtungen den Strahlteiler verlassen. Wenn sich jedoch zwei Photonen gleichzeitig an der Kreuzung treffen, werden sie sich erstaunlicherweise zusammenschließen und die Kreuzung am gleichen Ausgang verlassen. Es scheint, als würden sich diese beiden Quantenteilchen gegenseitig über ihren Weg informieren“, erklärt Silberhorn und ergänzt: „Das Verhalten solcher Photonenpaare unterscheidet sich signifikant von dem klassischer Teilchen. Ein solches Zusammenspiel von Photonen ist ein grundlegender Effekt in der Quantenoptik, der das Herzstück vieler Quantenlogikoperationen ist und beispielsweise in Quantensimulatoren, Quanten-Repeatern oder Quantencomputern ausgenutzt wird“.

Weg für kommerzielle Anwendungen geebnet

Als Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Quantentechnologien hat die Arbeitsgruppe von Silberhorn demonstriert, dass die Implementierung eines solchen quantenoptischen Experiments auf einem einzigen Chip möglich ist. Der Chip umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Photonenpaaren, ein optisches Netzwerk, in dem die Photonen durch die Struktur geführt werden, und programmierbare Stufen zur Synchronisation der Ankunftszeiten am letzten Strahlteiler. Diese Synchronisation wird über elektrische Steuersignale erreicht, die es ermöglichen, eine Zeitverzögerung zwischen den Photonen einzustellen. Zu den Auswirkungen der Arbeit sagt Silberhorn: „Die Implementierung eines solchen Quantenexperiments in einen einzigen Chip ist ein großer Schritt zur Miniaturisierung. Er ebnet den Weg zu kommerziellen Anwendungen von Quantentechnologien".

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts „Monolithische Integration einer parametrischen Photonenpaar-Quelle und eines Zwei-Photonen-Interferometers" gefördert und sind als Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs TRR 142 entstanden.

Link zur Veröffentlichung:
http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat1451

DOI: 10.1126/sciadv.aat1451

Kontakt

Christine Silberhorn

Prof. Dr. Christine Silberhorn

Integrierte Quantenoptik

Lehrstuhlinhaberin

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Die Universität der Informationsgesellschaft