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Wärmefreier optischer Schalter bringt Technologie der Quanteninformatik voran

Eine neue Methode zur Kontrolle einzelner Photonen ohne Wärmeerzeugung ermöglicht die Integration von optischen Schaltern und Einzelphotonendetektoren in einen einzigen Chip.

Digitale Wirtschaft

Die Arbeit von Forschenden der Königlichen Technischen Hochschule in Schweden und der Johannes Kepler Universität Linz in Österreich ermöglicht die Integration von optischen Schaltern und Einzelphotonendetektoren in einen einzigen Chip. Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts S2QUIP (Scalable Two-Dimensional Quantum Integrated Photonics) half das Forschungsteam dabei, das Gebiet der Quanteninformatik voranzubringen, indem es eine neue wärmefreie Methode zur Kontrolle einzelner Photonen entwickelte. Die Arbeit und Erkenntnisse des Teams wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. Derzeitige optische Schalter funktionieren über die Erwärmung von Lichtführungen in einem Halbleiterchip. „Dieser Ansatz funktioniert in der Quantenoptik nicht“, merkt Hauptautor Samuel Gyger von der Königlichen Technischen Hochschule, dem Partner des S2QUIP-Projekts, in einer Pressemitteilung auf der Website „EurekAlert!“ an. „Da wir jedes einzelne Photon entdecken wollen, setzen wir Quantendetektoren ein. Diese messen die Wärme, die ein einziges Photon erzeugt, wenn es von einem supraleitfähigen Material absorbiert wird. Wenn wir herkömmliche Schalter verwenden, werden unsere Detektoren von Wärme überflutet und funktionieren nicht mehr“, erklärt Gyger weiter. Die durch rekonfigurierbare optische Schaltkreise erzeugte Wärme ist somit nicht mit wärmeempfindlichen supraleitfähigen Einzelphotonendetektoren kompatibel, sodass die Integration dieser Schaltkreise und Detektoren in einen einzigen Chip schwierig ist.

Optische Schalter ohne Wärme

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forschenden einen optischen Schalter, der mit mikroskopischer elektromechanischer Bewegung statt Wärme rekonfiguriert wird. Einzelne Photonen können somit kontrolliert werden, ohne dass der Halbleiterchip sich erwärmt und die Einzelphotonendetektoren behindert. Dadurch sind die Schalter mit den wärmeempfindlichen Detektoren kompatibel und sie können in einen einzigen Chip integriert werden. Zusätzlich zu der Kompatibilität rekonfigurierbarer optischer Schaltkreise und supraleitfähiger Einzelphotonendetektoren in einem Chip zeigten die Forschenden auch drei zentrale Funktionen der photonischen Quantentechnologien auf. Diese sind die rekonfigurierbare Führung klassischer Lichtquellen und Lichtquanten, die Erkennung einzelner Photonen aus der Ferne mit hoher Dynamik sowie die Leistungsstabilisierung optischer Anregung mithilfe einer Rückkopplungsschleife. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kombination mikroelektromechanischer Systeme mit supraleitfähigen Einzelphotonendetektoren aus Nanodraht „nicht nur die Integration der Hauptbausteine der Quantenoptik in einen Chip ermöglichen, sondern auch von Geräten zur adaptiven Steuerung, Überwachung und Stabilisierung traditioneller Optik und Quantenoptik“, wird in der Studie berichtet. „Unsere Technologie wird dabei helfen, alle für integrierte optische Schaltkreise für Quantentechnologien notwendigen Bausteine zu verbinden“, so Mitautor Carlos Errando-Herranz von der Königlichen Technischen Hochschule in dem Artikel auf „EurekAlert!“. „Quantentechnologien werden sichere Nachrichtenverschlüsselung und Methoden der Informatik ermöglichen, die Probleme lösen, an denen die Computer von heute scheitern. Und sie werden Simulationsinstrumente bieten, mit denen wir grundlegende Naturgesetze verstehen können. Das könnte zu neuen Materialien und Medikamenten führen.“ Ziel von S2QUIP ist es, einen Paradigmenwechsel in der Entwicklung skalierbarer, kostengünstiger Quantenlichtquellen mit integriertem Chip herbeizuführen. Das Projekt endet im März 2022. Weitere Informationen: S2QUIP-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

S2QUIP, Quantum, Einzelphotonendetektor, optischer Schalter, Chip

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