Quantencomputer: Forscherteam entwickelt ersten Mikrochip mit eigener Quantenquelle

Erstmals gelang es Physiker:innen, einen Quantenchip zu entwickeln, der eine eigene Quantenlichtquelle besitzt, also verschränkte Photonen ohne externe Laserquelle erzeugen. Als Lichtquelle fungiert ein Quantenpunkt-Laser aus Indiumphosphid mit speziellen Filtern aus ringförmigen Wellenleitern. Mit Hilfe dieser Filter wird Störrauschen blockiert und die Verschränkung ermöglicht. Mit dieser neuen Technologie könnten photonische Quantenprozessoren in Zukunft günstiger, kleiner und vielseitiger verwendbar werden.

Laserquelle direkt auf dem Chip

Teilchen, die durch Verschränkung und Überlagerung miteinander interagieren und ihre Zustände verändern sind die Grundlage der Quantenkommunikation, des quantenbasierten Rechnens sowie der integrierten Photonik. Diese Teilchen sind zumeist verschränkte Photonen, die Quanteninformationen transportieren. Allerdings waren die benötigten Quantenlichtquellen entweder zu groß um direkt in die Quantenchips integriert werden zu können, oder sie waren nicht präzise und leistungsfähig genug. Allerdings gab es in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte in der Laser-Miniaturisierung.

Diese Fortschritte ermöglichten es Physiker:innen nun, einen Chip zu präsentieren, dessen Lichtquelle direkt auf ihm integriert ist. Diese Quantenlichtquelle ist elektrisch angeregt, laserintegriert und passt auf einen Submillimeter-Mikrochip. Sie ist in der Lage, hochgenaue, frequenzverschränkte Qubit-Zustände zu emittieren. Aber bei der Entwicklung dieser Quantenlichtquelle galt es für die Forscher:innen rund um Hatam Mahmudlu von der Leibnitz-Universität Hannover zwei große Herausforderungen zu überwinden.

Forscher:innen überwinden zwei große Hürden

Die erste Problematik ergab sich bei dem verwendeten Material. „Bisher gab es keine Materialplattform, mit der sich alle Quantenfunktionalitäten umsetzen lassen„, so die Wissenschaftler:innen. Der chip muss einerseits in der Lage sein, die störempfindlichen Photonen miteinander zu verschränken, zu leiten un zu manipulieren, und andererseits ist für den integrierten Laser ein Halbleitermaterial nötig, das große Mengen präzise eingestellter Photonen erzeugen kann.

Als zweite große Hürde galt es, die sensiblen Quantenbits entsprechend abzuschirmen. „Qubits sind sehr anfällig für Rauschen. Deswegen muss der Chip von einem Laserfeld angetrieben werden, das mithilfe eines integrierten Filters völlig rauschfrei wird„, so Mahmudlu.

Den Forscher:innen gelang es, beide Problematiken in den Griff zu bekommen. Als integrierter Laser fungiert der Halbleiter Indiumphosphid, in dem elektrisch angeregte Quantenpunkte die für Laser nötige stimulierte Emission erzeugt werden. Dies war auch schon bekannt, allerdings war die Leistung und Reichweite derartiger Nanolaser auf Basis von Indiumphosphid bisher sehr gering. Die Physiker:innen verwenden mehrere Rückkopplungsschleifen aus Siliziumnitrid.

Mit diesen ringförmigen Mikro-Resonatoren können zum einen die Photonenemissionen verstärkt werden, zum anderen fungieren sie einen Frequenzfilter. So kann das System präzise eingestellte Photonen für das Quantensystem produzieren und gleichzeitig das Störrauschen des Lasers entfernen. Eine weitere Ringschleife sorgt dann für die paarweise Verschränkung der erzeugten Photonen. „Das kombinierte System bildet damit einen Quanten-Frequenzkamm für Photonenpaare„, so die Physiker:innen.

In ersten Tests zeigte sich, dass die neue, direkt im Chip integrierte Quantenlichtquelle funktioniert wie vorgesehen. „Wir haben eine bemerkenswert hohe Paar-Erzeugungsrate von 8.200 pro Sekunde erreicht„, schreibt das Team. Mit einer Verschränkungsrate von mehr als 97 Prozent arbeitet das System effizient. „Die Zustands-Zuverlässigkeit und die Sichtbarkeit der Quanteninterferenz lagen über der von externen Lasern – und das mit viel geringerer Größe„, so die Wissenschaftler:innen weiter.

Diverse Anwendungsmöglichkeiten für das neue Bauteil

Das Team geht davon aus, mit der neuartigen Quantenlichtquelle neue Möglichkeiten für die Quantenkommunikation und das Quantencomputing eröffnet zu haben. „Dieses tragbare, leistungsstarke System kann sehr einfach als praktischer, massenproduzierbarer Baustein für Quantennetzwerke eingesetzt werden„, erklären die Physiker:innen.

Theoretisch seien mit solchen photonischen Mikrochips sogar neue Formen von Quantencomputern möglich. „Im Gegensatz zu Google, das derzeit superkalte Qubits in kryogenen Systemen verwendet, könnte der Quantenvorteil mit solchen photonischen Systemen auf einem Chip sogar bei Raumtemperatur erreicht werden. Wir können uns vorstellen, dass unsere Quantenlichtquelle bald ein elementarer Bestandteil von programmierbaren photonischen Quantenprozessoren sein wird„, erklärt Seniorautor Michael Kues von der Leibniz-Universität Hannover.

via Leibniz-Universität Hannover