Optische Quantenchips gelten als Schlüsselbausteine künftiger Kommunikations- und Computertechnologien. Ihre Herstellung war bislang jedoch aufwendig, weil die dafür benötigten Quellen für einzelne Lichtteilchen – sogenannte Halbleiter-Quantenpunkte – zufällig auf dem Chip entstanden und zunächst aufwendig lokalisiert werden mussten. Forschende der Technischen Universität Berlin haben nun eine Lösung für dieses Problem entwickelt: Durch kontrolliert in das Substrat integrierte „Stressoren“ können sie Materialspannungen an der Oberfläche genau so erzeugen, dass künstliche Atome in Form von Halbleiter-Quantenpunkten gezielt an den gewünschten Stellen wachsen. Sie schaffen damit die Grundlage für eine skalierbare und industriekompatible Fertigung von optischen Quantenchips.
Die Arbeiten entstanden unter der Leitung von Prof. Stephan Reitzenstein in der Arbeitsgruppe „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ am Institut für Physik und Astronomie der TU Berlin in Zusammenarbeit mit Forschenden der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten eine neue Quantenchip-Architektur, bei der sogenannte Quantenpunkte – nanoskopisch kleine Halbleiterstrukturen zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen – präzise an vorgegebenen Positionen in den Chip integriert werden.
Vom Zufallsprinzip zur gezielten Herstellung
Quantenpunkte gelten als vielversprechende Quellen einzelner Lichtteilchen (Photonen). Solche Lichtteilchen sind eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen wie abhörsichere Quantenkommunikation, Quantennetzwerke, Quantensensorik oder photonische Quantencomputer. Bislang entstand ein zentrales Problem jedoch bereits bei der Herstellung: Die Quantenpunkte bildeten sich während des Wachstumsprozesses zufällig auf dem Halbleitermaterial. Forschende mussten daher zunächst geeignete Quantenpunkte aufwendig identifizieren, bevor sie die notwendigen photonischen Strukturen um diese herum fertigen konnten.
„Für einzelne Demonstratoren war dieses Vorgehen sehr erfolgreich. Wenn man jedoch viele Quantenlichtquellen mit vergleichbarer Qualität auf einem Chip herstellen möchte, wird die zufällige Position der Quantenpunkte zu einem zentralen Engpass”, erklärt Kartik Gaur, der die Quantenbauelemente im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt hat. „Unser Ansatz verschiebt diesen Schritt bereits in das Kristallwachstum: Die Quantenpunkte entstehen dort, wo sie später auch im photonischen Bauelement benötigt werden.“
Die Arbeitsgruppe von Prof. Reitzenstein entwickelte also ein Verfahren, das die Position der Quantenpunkte bereits während des Kristallwachstums vorgibt. Möglich wird dies durch eine spezielle, im Substrat des Chips verborgene Schicht, die sehr präzise Materialspannungen erzeugt und so das Wachstum der Quantenpunkte gezielt steuert. Anschließend werden die Quantenpunkte direkt in nanophotonische Resonatoren integriert, die das erzeugte Licht besonders effizient sammeln und für Quantentechnologie-Anwendungen zur Verfügung stellen.
Hohe Ausbeute und reproduzierbare Qualität
Mit dem neuen Verfahren fertigten die Forschenden ein 6x6-Raster aus 36 Quantenlichtquellen, bei dem alle erzeugten Bauelemente funktionsfähig waren. Damit erreichten sie eine exzellente Reproduzierbarkeit, die in der halbleiterbasierten Quantenphotonik bislang nur selten erzielt wurde. „Die eigentliche Bedeutung dieser Arbeit liegt nicht allein in der hohen Ausbeute der Bauelemente“, sagt Reitzenstein. „Entscheidend ist, dass wir zeigen können, wie sich leistungsfähige Quantenlichtquellen mit kontrollierbarer Qualität und hoher Reproduzierbarkeit auf einem Halbleiterchip realisieren lassen. Damit adressieren wir eine zentrale Herausforderung der Quantenphotonik: den Übergang von individuell optimierten Labordemonstratoren zu skalierbaren, technologisch nutzbaren Plattformen für zukünftige Quantensysteme.“
Grundlagen für die nächste Generation von Quantenchips
Darüber hinaus untersuchte das Forschungsteam detailliert, wie sich kleinste Abweichungen bei der Positionierung der Quantenpunkte auf die Leistungsfähigkeit der Bauelemente auswirken. Dazu kombinierten die Forschenden verschiedene bildgebende, spektroskopische und quantenoptische Messverfahren mit numerischen Simulationen. Die theoretischen Arbeiten wurden dabei von der Arbeitsgruppe von Prof. Christopher Gies an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg durchgeführt. Die Modellierungen erklären, wie sich die genaue Position der Quantenpunkte auf die Eigenschaften der erzeugten Lichtteilchen auswirkt, und liefern wichtige Richtlinien für die Entwicklung zukünftiger Quantenchips.
Hohe Qualität der Quantenlichtquellen nachgewiesen
Auch die Leistungsfähigkeit der Quantenlichtquellen konnte das Team quantitativ nachweisen. Bei den besten Bauelementen gelang es, nahezu die Hälfte der erzeugten Lichtteilchen für die weitere Nutzung aus dem Chip auszukoppeln – was ein sehr guter Wert ist. Gleichzeitig lag die quantenmechanische „Reinheit“ der einzelnen Lichtteilchen bei über 99 Prozent. Zudem zeigten die erzeugten Lichtteilchen nahezu identische quantenoptische Eigenschaften. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für zukünftige photonische Quantencomputer und Quantennetzwerke, da dort viele Lichtteilchen auf exakt dieselbe Weise miteinander wechselwirken müssen.
