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Lichtquellen für die Quantenkommunikation in dem spektralen Bereich um 1300 nm

Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429588372
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die zweite Quantenrevolution ist eine wichtige Triebkraft für die Entwicklung von Quantenlichtquellen in der Quanten-Nanophotonik. So sind einzelne Photonen und verschränkte Photonenpaare für Quantenschaltungen und für die Quantenkommunikation über große Entfernungen unerlässlich und dienen als photonische Qubits für die sichere Informationsübertragung. Im Gegensatz zu nicht-deterministischen Quellen wie abgeschwächten Lasern oder parametrischer Abwärtskonversion bieten Halbleiter-Quantenpunkte eine ideale Plattform für die deterministische Erzeugung von Photonen. Um die strengen Anforderungen für Quantenanwendungen zu erfüllen - wie z. B. hohe Effizienz der Photonen-Extraktion, Ununterscheidbarkeit und Verschränkung - müssen Quantenpunkt-basierte Quellen mit Nanometergenauigkeit hergestellt werden. Während InGaAs- Quantenpunkte, die im Bereich von 900-960 nm emittieren, bereits nahezu ideale optische Eigenschaften gezeigt haben, sind diese Wellenlängen aufgrund hoher Übertragungsverluste für die faseroptische Kommunikation ungeeignet. Diese Einschränkung hat den Fokus Quantenpunktentwicklung auf den Emissionsbereich im Telekom O-Band bei 1,3 µm und im C-Band bei 1,55 µm verlagert, die für Langstrecken-Quantennetze und Repeaterprotokolle besser geeignet sind. Fortschritte bei der Epitaxie und bei Einzelphotonendetektoren haben Quantenpunkt-Quellen mit Telekommunikationswellenlängen ermöglicht, doch bestehen weiterhin Herausforderungen wie die geringe Effizienz der Photonenextraktion und die Ununterscheidbarkeit. Dieses Projekt zielte darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung Resonatorverstärkter Quantenpunkt-basierter Einzelphotonenquellen, die im O-Band emittieren, zu bewältigen. Die numerische Optimierung von Mikroresonator-Designs, wie z. B. hybride verteilte Bragg-Reflektoren, zeigte signifikante Verbesserungen der Photonenextraktionseffizienz, die 83 % mit breitbandiger Verstärkung erreichte. Fortgeschrittene Designs mit Oxidöffnungen erreichten eine hohe Licht-Materie-Kopplung und lateralen Einschluss, mit berechneten Effizienzwerten von bis zu 67 %. Die epitaktischen Wachstumsarbeiten resultierten in O-Band- Quantenpunkten mit geringer Dichte und hoher Quanteneffizienz von (85±10)%. Ein Durchbruch bei den Herstellungstechniken wurde mit der durch maschinelles Lernen (ML) unterstützte in-situ-Elektronenstrahllithografie (iEBL) erzielt, die die Genauigkeit der Quantenpunkt-Integration erheblich verbesserte. Im Vergleich zur konventionellen iEBL reduzierte die ML-unterstützte iEBL die Abweichungen auf weniger als 100 nm und ermöglichte so die präzise, deterministische Herstellung von Quantenpunkt-Bauelementen. Trotz organisatorischer Herausforderungen, wie z. B. der politisch bedingten Beendigung der Zusammenarbeit mit dem Projektpartner, brachte das Projekt bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Quantenlichtquellen. Zu den Ergebnissen gehören optimierte Bauelementdesigns, hochpräzise Herstellungstechniken und grundlegende Erkenntnisse über die Eigenschaften von Quantenpunkten. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für leistungsstarke Quantenlichtquellen, die für künftige Quantenkommunikations- und -netzwerktechnologien, einschließlich Quantenrepeater-Netzwerke, unerlässlich sind.

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