Einzelphotonen nach Maß Optische Kontrolle von Lichtquanten als Schlüssel für neue Technologien

Physiker der Universität Paderborn haben ein neuartiges Konzept zur Erzeugung einzelner Photonen – kleinen Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht – mit maßgeschneiderten Eigenschaften entwickelt. Deren gezielte Manipulation gehört zu den wichtigsten Schlüsselelementen für photonische Quantentechnologien. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Wie Prof. Dr. Artur Zrenner, Leiter der Arbeitsgruppe „Optoelektronik und Spektroskopie an Nanostrukturen“ erklärt, stellen Wunschzustände nach Maß bislang eine Herausforderung dar: „Entsprechende Quellen basieren meist auf Lichtemission aus einzelnen Halbleiter-Quantenemittern, die die Photonen erzeugen. Dabei werden die Eigenschaften der ausgesendeten Lichtteilchen durch die fixen Eigenschaften des Quantenemitters bestimmt, was einer flexiblen Steuerung im Wege steht.“

Um das Problem zu umgehen, haben die Wissenschaftler eine rein optische, nichtlineare Methode zur angepassten Steuerung der Einzelphotonenemission entwickelt. Auf der Grundlage dieses Konzepts demonstrieren sie die lasergesteuerte Kontrolle der Energie und Polarisation der Lichtquanten, also der Lichtfrequenz und Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Wellen. Dazu Prof. Dr. Stefan Schumacher, ebenfalls an der Studie beteiligter Physiker aus Paderborn: „Wir haben einen lasergesteuerten Umwandlungsprozess aus einem angeregten Zustand des Halbleiter-Quantenemitters in einen virtuellen Zwischenzustand erzeugt, aus dem dann die Emission der einzelnen Lichtquanten erfolgte.“

Die Ergebnisse markieren laut Zrenner einen wichtigen Schritt in Richtung maßgeschneiderter Einzelphotonen aus einem photonischen Quantensystem, das auf quantenoptischen Prinzipien beruht. An der Forschung waren verschiedene Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs (SFB)/Transregio (TRR) 142 „Maßgeschneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funktionellen Strukturen“ der Universität Paderborn beteiligt. Bei dem TRR erforschen sie die Grundlagen der Photonik und Quantenoptik, um im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie neue Wege zu beschreiten.