Neuartige Netzwerkknoten mit erweitertem Speicher für die Quantenkommunikation
Der sichere und schnelle Austausch von Informationen über das Internet ist für unsere Gesellschaft essenziell. Um diese Sicherheit in Zukunft zu gewährleisten, sind Kommunikationsnetze nötig, die in der Lage sind, Lauschangriffe zuverlässig zu erkennen und somit die übertragenen Daten zu schützen. Quantenkommunikationsnetzwerke, in denen fliegende Lichtteilchen – sogenannte Photonen-Quantenbits – die Informationen tragen und effizient mit stationären Materie-Quantenbits die Informationen austauschen, können dies bewerkstelligen und bilden einen vielversprechenden Lösungsansatz.
Im Projekt „Speichererweiterte Verschränkungsverteilung mit Gallium-Arsenid-Quantenpunkten“ (MEEDGARD) entwickeln die Forschenden neuartige Netzwerkknoten für die Quantenkommunikation. Hierzu verwendet das Projektteam ein Halbleiter-Resonator-System und koppelt dieses an eine Glasfaser. In den Halbleiter werden Quantenpunkte integriert, die als die hellsten und kohärentesten Quantenlichtemitter im Festkörperbereich bekannt sind. Der optische Resonator ermöglicht dabei, das emittierte Licht so einzufangen, dass dieses mehrfach mit den Quantenpunkten interagiert, eine hohe Lichtauskopplung ermöglicht und die Licht-Materie-Wechselwirkung deutlich verstärkt. Über den Halbleiter-Glasfaser-Resonator werden photonische Quantenbits mit Materie-Quantenbits, den sogenannten Elektronenspins der Quantenpunkte, verschränkt. Anschließend werden diese in das Kernspin-Register des Quantenpunkts eingeschrieben, und nach einer gewissen Speicherzeit wird die Verschränkung wieder ausgelesen. Im Projekt planen die Forschenden, die Speicherung von Elektronenspin-Photon-Verschränkungen über einen Zeitraum von 100 Millisekunden zu demonstrieren.
Bislang ist es äußerst schwierig, einen Verschränkungszustand in einem kompakten fasergekoppelten System zu speichern. Der entwickelte Resonator mit integrierter Hochfrequenzantenne ermöglicht es, die Resonanz der Quantenpunktemission zu verstärken, als auch die Spins zu beherrschen. In dem Projekt wird somit zum ersten Mal ein vollständig kontrollierbares Quantenpunkt-Bauelement demonstriert, das in der Lage ist, eine Spin-Photon-Verschränkungsinformation mit hoher Zuverlässigkeit zu speichern. Über die verwendete Glasfasertechnologie besteht eine direkte Schnittstelle zu kommerziellen Kommunikationstechnologien. Da die Neuentwicklung mit üblichen Halbleitertechniken produziert werden kann, kann sie langfristig in Produkte für die Quantenkommunikation und andere Quantentechnologiebereiche überführt werden.