Wichtige Komponente für optische Quantenrechner entwickelt

27. Jänner 2013, 23:56
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Ohne zuverlässige Erfassung einzelner Photonen lassen sich Quantencomputer nicht nutzen - Nun vorgestellter Detektor ist sicher, schnell und direkt in den Chip integriert

Schnelle, effiziente und zuverlässige Einzelphotonendetektoren sind zwar begehrte und dennoch bis heute noch nicht anwendungsreife Komponenten in der Photonik und der Quantenkommunikation. Mit einem direkt in den Chip integrierten Einzelphotonendetektor haben nun internationale Forscher möglicherweise einen entscheidenden Schritt getan. Der Detektor schafft gleichzeitig höchste Wiedergabetreue und Auswertungsgeschwindigkeit und hat eine nur sehr geringe Fehlerquote, meint Wolfram Pernice vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der den Detektor gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Yale, Boston und Moscow State Pedagogical entwickelt hat. Die Ergebnisse sind in "Nature Communications" veröffentlicht.

Ohne eine zuverlässige Detektion, also einer sicheren und schnellen Erfassung einzelner Photonen, lassen sich die neuesten Weiterentwicklungen im Bereich der optischen Datenübertragung oder der Quantencomputer nicht wirklich nutzen. Das ist, als ob man bei einem herkömmlichen Rechner keinen Analog-Digital-Wandler hätte, um zu erkennen, ob die anliegende Spannung für eine 0 oder 1 steht. Obwohl in den vergangenen Jahren bereits verschiedene Modelle von Einzelphotonendetektoren entwickelt wurden, konnte bislang keiner wirklich zufriedenstellend eingesetzt werden.

Gleich mehrere neue Ideen und Weiterentwicklungen flossen in den im Rahmen des Projekts "Integrated Quantum-Photonics" am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) entwickelten Prototypen ein. Der neue im Wellenlängenbereich der Telekommunikation erprobte Einzelphotonendetektor erreicht eine Entdeckungseffizienz von 91 Prozent. Dieses Niveau war bisher unerreicht.

Supraleiter nimmt Photon wahr

Der Clou sind die supraleitenden Nanodrahtdetektoren, die direkt auf einem nanophotonischen Wellenleiter aufgebracht werden. Bildlich darf man sich das wie eine lichtleitende Röhre vorstellen, um die ein Draht gewickelt ist, der sich im supraleitenden Zustand befindet und deswegen keinerlei elektrischen Widerstand aufweist. Der nanometerdünne Draht aus Niobnitrid absorbiert Photonen, die sich entlang des Wellenleiters ausbreiten. Wird ein Photon absorbiert, kommt es zum Verlust der Supraleitung, was sich als elektrisches Signal bemerkbar macht. Je länger diese Röhre ist, desto größer ist die Detektionswahrscheinlichkeit - dabei handelt es sich von Längen im Mikrometerbereich.

Eine weitere Besonderheit des Detektors ist, dass er direkt auf dem Chip installiert ist und somit beliebig vervielfältigt werden kann. Die bisher realisierten Einzelphotonendetektoren waren eigenständige Einheiten, die "vor den Chip geschaltet" wurden. Eine solche Anordnung hat den großen Nachteil, dass Photonen in der zusätzlich benötigten Faserverbindung verloren gehen oder anderweitig absorbiert werden.

Ultrakurze Genauigkeitsschwankung

Bei dem nun vollständig in den Silizium-Schaltkreis für Photonen eingebetteten Detektor entfällt diese Verlustquelle. Das führt neben der hohen Entdeckungseffizienz zu einer bemerkenswert niedrigen Dunkelzählrate. Bei einer Dunkelzählung handelt es sich um ein fälschlich detektiertes Photon, beispielsweise infolge einer spontanen Emission, eines Alphateilchens oder eines Störfeldes. Die Konstruktion ermöglicht auch eine ultrakurze Genauigkeitsschwankung von 18 Picosekunden, also 18 mal 10-12 Sekunden, bei der Übertragung der Datensignale.

Die neuartige Lösung ermöglicht es darüber hinaus, mehrere Hunderte dieser Detektoren auf einem einzelnen Chip zu integrieren. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die künftige Nutzung in optischen Quantenrechnern. Der in dieser Studie demonstrierte Detektor wurde mithilfe von Wellenlängen in Telekom-Bandbreite analysiert. Dieselbe Detektorarchitektur kann aber auch für Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Licht eingesetzt werden. Damit könnte das Prinzip für die Analyse all solcher Strukturen eingesetzt werden, die wenig Licht - also Photonen - emittieren, beispielsweise einzelne Moleküle oder Bakterien. (red, derStandard.at, 26.01.2013)

  • Der neue Einzelphotonendetektor erreicht  eine  Entdeckungseffizienz von 91 
Prozent und Genauigkeitsschwankung von 18 Picosekunden.
    grafik: kit/cfn

    Der neue Einzelphotonendetektor erreicht eine Entdeckungseffizienz von 91 Prozent und Genauigkeitsschwankung von 18 Picosekunden.

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