Durchbruch in der Quantenoptik: Miniaturisierte Quelle für verschränkte Photonenpaare

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Maximilian Weißflog mit Beteiligung von Wissenschaftlern aus Jena, Canberra und mit Unterstützung aus Darmstadt hat einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenoptik erzielt. In ihrer jüngsten Veröffentlichung beim renommierten Nature Journal präsentieren die Wissenschaftler eine neuartige Methode zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren mithilfe von zweidimensionalen (2D) Materialien. Diese Entwicklung könnte die Tür zur Quantenverschlüsselung auf mobilen Geräten weit aufstoßen.

Miniaturisierte Quelle für verschränkte Photonen

Die im Paper vorgestellte Quelle für verschränkte Photonenpaare ist bemerkenswert klein: Mit einer Größe von lediglich 10x10x10 Mikrometern (µm) lässt sie sich problemlos in kompakte Geräte integrieren. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Quellen für verschränkte Photonen, die oft sperrig und komplex in der Handhabung sind.

Einstellbare Verschränkung

Ein weiteres herausragendes Merkmal dieser neuen Quelle ist ihre Einstellbarkeit. Die Art der Verschränkung der erzeugten Photonenpaare kann durch den verwendeten Pumplaser modifiziert werden. Diese Flexibilität eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der Quantenkommunikation und Quantenverschlüsselung. Mobile Geräte könnten zukünftig von dieser Technologie profitieren, indem sie sichere Kommunikationskanäle bereitstellen, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren.

Internationale Zusammenarbeit

Die Forschungsarbeit ist das Ergebnis einer produktiven Zusammenarbeit zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Australian National University in Canberra und zusätzlichen Beiträgen der Technischen Universität Darmstadt. Diese internationale Kooperation innerhalb des Internationalen Graduiertenkolleg (IRTG) 2675 "Meta-Active" unterstreicht die Bedeutung von globaler Zusammenarbeit in der Wissenschaft, um technologische Durchbrüche zu erzielen.

Potenzielle Anwendungen und Zukunftsperspektiven

Die Möglichkeit, verschränkte Photonenpaare in einem so kleinen Maßstab und mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen, könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkommunikationssystemen haben. Insbesondere für die mobile Kommunikation und tragbare Geräte eröffnet sich hier ein neues Feld, das bislang aufgrund der Größe und Komplexität der benötigten Technologie unerschlossen blieb.

Die Ergebnisse markieren einen bedeutenden Schritt in Richtung praktikabler Anwendungen der Quantenoptik und könnten die Grundlage für zukünftige Entwicklungen in der sicheren Datenübertragung bilden.

Nächstes Forschungsziel ist, die Erzeugungsrate durch Quasi-Phasenanpassung zu erhöhen und die Quelle in monolithische Hohlräume mit hoher Güte zu integrieren, um die Paarerzeugungsrate zu verbessern. Auch soll die Integration dieser Quellen in photonische Chips erforscht werden, um Miniatur-QKD-Geräte zu entwickeln. Darüber hinaus soll die Verwendung neuartiger Materialien und Meta-Oberflächen untersucht werden, um noch hellere und vielseitigere Quellen zu schaffen.

Die vollständige Veröffentlichung ist bei Nature Communication erschienen und bietet detaillierte Einblicke in die Methoden und Ergebnisse dieser bahnbrechenden Studie. 

Publikation: Weissflog, M.A., Fedotova, A., Tang, Y. et al. A tunable transition metal dichalcogenide entangled photon-pair source. Nat Commun 15, 7600 (2024).