Quantenpunkte
Ein Quantenpunkt (QP) ist eine Halbleiternanostruktur mit einer geringeren Bandlücke als das umgebende Material. Die kleine Ausdehnung führt zur Ausbildung von diskreten Energieniveaus – ähnlich denen in richtigen Atomen, daher werden QP oft als „künstliche Atome“ bezeichnet. Elektronen-Loch-Paare sind in QP als Quasiteilchen, sogenannten Exzitonen, gebunden. Rekombinierten Exzitonen strahlend, so werden einzelne Photonen ausgesendet, daher bildet ein optisch aktiver QP eine nicht-klassische Lichtquelle.
Einzelphotonenquellen sind von besonderem Interesse für Anwendungen der absolut sicheren Datenübertragung, da die einzelnen Photonen – welche die Information tragen – physikalisch nicht ohne Informationsverlust kopiert werden können. Halbleiter-QP haben den großen Vorzug, dass sie auf eine ausgereifte Technologieplattform der Halbleiterchipindustrie zurückgreifen können und somit hervorragend geeignet sind in bestehende Elektronik und Photonik integriert zu werden. Dies hat schon heute dazu geführt, dass QP zu den hellsten und effizientesten nicht-klassischen Lichtquellen gehören.
Grundlegend für Umsetzung von Quantenoperationen ist die Interferenz von zwei Photonen, der sogenannte Hong-Ou-Mandel-Effekt. Diese Interferenz ist nur dann möglich, wenn die Photonen in all ihren Eigenschaften ununterscheidbar sind. QP haben gezeigt, dass sie in der Lage sind Photonen mit einem hohen Grad an Ununterscheidbarkeit zu erzeugen und sind daher sehr attraktiv für die Umsetzung von komplexen Quantenoperationen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass mit zwei gebundenen Elektron-Loch-Paaren – sog. Biexzitonen – auch verschränkte Photonenpaare erzeugt werden können. Verschränkung ist eine rein quantenmechanische Erscheinung, welches eine entscheidende Rolle in Quanteninformationsnetzwerken mit Hilfe von Phänomenen wie Quantenteleportation und Vertauschung der Verschränkung (Engl.: entanglement swapping) spielt. Letztere sind die Bausteine für das grundlegende Ziel von Q.Link.X: die Verwirklichung eines Quantenrepeaters für die sichere Quantenkommunikation.
Ein in einem QP gebundener einzelner Ladungsträger (Loch oder Elektron) kann Aufgrund seines quantisierten Eigendrehimpulses (Spin) dazu verwendet werden Quanteninformation zu speichern. Diese Quantenspeicher sind ein weiterer entscheidender Baustein für sichere Datenübertragung in Quanteninformationsnetzwerken und werden somit auch im Rahmen von Q.Link.X untersucht.
Die meisten QP emittieren Licht von der Grenze des sichtbaren bis in den nahinfraroten Wellenlängenbereich (780-950nm). Jedoch ist dies nicht ideal für die derzeit global verbreitete, glasfaserbasierte Infrastruktur, die bei 1330 und 1550nm arbeitet. Daher wird im Rahmen von Q.Link.X sowohl an QP die direkt bei diesen Wellenlängen emittieren als auch an Frequenzkonvertierung von QP mit geringeren Emissionswellenlängen gearbeitet.
Die effiziente Erzeugung von verschränkten und ununterscheidbaren Photonenpaaren sowie die Speicherung von Quanteninformation sind die entscheidenden Voraussetzungen für die Umsetzung von langreichweitiger, glasfaserbasierter Quantenkommunikation. Einige der weltweit führenden Experten der Herstellung, Spektroskopie und Quantenoptik an Quantenpunkten bringen Ihre Kapazitäten ein um im Rahmen von Q.Link.X das Ziel eines quantenpunktbasierten Quantenkommunikationsnetzwerkes zu erreichen.